自NASA的阿波羅計劃以來，宇航員已經記錄了像水這樣的液體在微重力下的行為跟在地球上不同。現在，研究人員已經通過使用一種更奇特的材料–冷卻到幾乎絕對零度（零下273攝氏度）的氣體–證明了這種效果。據悉，這是物質可以達到的最低溫度。

通過利用NASA的冷原子實驗室–國際空間站上的第一個量子物理設施，研究人員將原子樣本冷卻到絕對零度以上的百萬分之一併將其塑造成極薄的空心球體。冷氣體開始時是一個小的圓球，就像一個蛋黃，然後被雕刻成更像一個薄蛋殼的東西。原子向下匯集，而形成的東西在形狀上更接近於隱形眼鏡而不是氣泡，這樣的嘗試在地球上不可能實現。

這個里程碑只有在空間站的微重力環境下才可能實現。相關研究報告已於當地時間5月18日發表在《自然》上。

據了解，超低溫氣泡最終可用於一種更奇特的材料的新型實驗：第五種物質狀態（不同於氣體、液體、固體和等離子體），其被稱為玻色-愛因斯坦凝聚體(BEC)。在BEC中，科學家可以在肉眼可見的範圍內觀察原子的量子特性。如原子和粒子有時表現得像固體物體，有時表現得像波–這種量子特性稱為“波粒二象性”。

這項工作不需要宇航員協助。超低溫氣泡是在冷原子實驗室嚴密密封的真空室中製造的，其使用磁場輕輕地將氣體操縱成不同的形狀。而實驗室本身–約有一個迷你冰箱那麼大–則由JPL遠程操作。

最大的氣泡直徑約為1毫米，厚度為1微米。它們是如此得稀薄，以至於只有成千上萬的原子才能構成它們。相比之下，地球上一立方毫米的空氣含有大約10億兆個分子。

這項新工作的論文主要作者、NASA南加州噴氣推進實驗室冷原子實驗室科學小組的成員David Aveline說道：“這些都不像你的普通肥皂泡。據我們所知，自然界中沒有任何東西能像冷原子實驗室中產生的原子氣體那樣冷。所以我們從這種非常獨特的氣體開始研究它在被塑造成根本不同的幾何形狀時的表現。並且從歷史上看，當一種材料以這種方式被操縱時，可以出現非常有趣的物理學及新的應用。”

為什麼它“重要”？

將材料暴露在不同的物理條件下是了解它們的核心。這往往也是為這些材料尋找實際應用的第一步。

在空間站上使用冷原子實驗室進行這些類型的實驗使科學家能消除重力的影響，而重力通常是影響流體運動和行為的主要力量。通過這樣做，科學家們可以更好地了解其他起作用的因素，如液體的表面張力或粘性。

現在，科學家們已經創造了超冷氣泡，他們接下來將是把組成氣泡的超冷氣體過渡到BEC狀態，然後看看它是如何表現的。

“一些理論工作表明，如果我們用這些處於BEC狀態的氣泡之一工作，我們可能能夠在量子材料中形成渦流–基本上是小漩渦，”來自緬因州路易斯頓的貝茨學院的物理學教授、這項新研究的第一研究者Nathan Lundblad說道，“這是一個物理配置的例子，它可以幫助我們更好地理解BEC的特性並對量子物質的性質有更多的了解。”

量子科學領域已經帶來了現代技術的發展，如晶體管和激光器。在地球軌道上進行的量子調查可能會帶來航天器導航系統和研究地球和其他太陽系天體的傳感器的改進。超冷原子設施已經在地球上運行了幾十年，然而在太空中，研究人員可以以新的方式研究超冷原子和BEC，這是因為重力的影響被減少了。這使研究人員能定期達到更低的溫度並比在地球上更長時間地觀察各種現象。

JPL冷原子實驗室的項目科學家Jason Williams表示：“我們的冷原子實驗室的主要目標是基礎研究–我們希望利用空間站獨特的空間環境來探索物質的量子性質。在新的幾何結構中研究超冷原子是一個完美的例子。”