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突破! 科學家創造出了第五種物質形式,并持續了6分鐘
2023/04/13

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物質有三種常見的形態:固體、液體和氣體。除此之外,科學家還認識到一種在極高溫度下出現的第四種形態,叫做等離子體。

這幅圖像顯示的是銣原子速度的分布,它證實了玻色-愛因斯坦凝聚的存在。圖中的顏色顯示多少原子處于這個速度上。紅色表示只有少數原子的速度是該速度。白色表示許多原子是這個速度。最低速度顯示白色或淺藍色。

而第五種物質形態,叫做玻色-愛因斯坦凝聚體(BEC),則是在接近絕對零度(-273.15°C或-459.67°F)的極低溫度下出現的。在這樣的溫度下,原子失去了各自的身份,開始表現得像一個整體。

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這種獨特的物質形態最早由阿爾伯特·愛因斯坦和印度物理學家薩蒂亞·納特·玻色在20世紀初提出理論。然而,直到1995年,科學家才能夠在實驗室環境中創造出第一個BEC。

而根據最近《自然》上的一篇論文,科學家成功地創造了第五種物質形態,并維持了驚人的六分鐘。這一重大成就有可能革新我們對量子力學的理解,并為新的技術進步打開大門。在本文中,我們將探討這一成就的意義,BEC的本質,以及這一新發現的潛在應用。

理解玻色-愛因斯坦凝聚體

在深入了解實驗的細節之前,有必要理解什麼是玻色-愛因斯坦凝聚體。BEC是一種由玻色子組成的物質形態,玻色子是一類遵循玻色-愛因斯坦統計規律的粒子,例如光子、聲子和氦原子。

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氦原子結構示意圖。圖中灰階顯示對應電子云于1s原子軌道之機率密度函數的積分強度。而原子核僅為示意,質子以粉紅色、中子以紫色表示。事實上,原子核(與其中之核子的波函數)也是球型對稱的。 (對于更復雜的原子核則非如此)

當玻色子被冷卻到足夠低的溫度時,它們會聚集在一個量子態中,形成一個具有相干性和超流性的巨型波函數。這意味著BEC中的所有原子都具有相同的能量、動量和自旋,并且可以無阻礙地流動。BEC可以被視為一個巨型原子或一個巨型量子波。

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