物质的第五态

诺丁汉大学的科学家们发明了一种可以阻止真菌在物体表面生长的材料。对于那些曾经不得不清理浴室里的黑霉的人来说，这是一个好消息!他们使用可以3D打印的聚合物，设计用于解决各种破坏性真菌-从人类病原体到作物疾病。与可能有毒的杀菌剂不同，这些材料似乎至少对植物使用是安全的，并且考虑到真菌感染每年导致全球约150万人死亡，这些材料最终可能会有更广泛的用途。西蒙·艾弗里帮助领导了这项研究，并与克里斯·史密斯进行了交谈。

Simon:杀菌剂或抗真菌剂的一个问题是它们会持续很长一段时间，这涉及到环境问题。对这些杀菌剂的使用有严格的规定，而且这些规定并没有放松，而是在收紧。还有真菌，比如细菌和抗生素，它们会产生耐药性。

克里斯:所以你想要一种安全的，可以广泛使用的药物，可以克服耐药性的问题，并且可以很容易地使用?

西蒙:是的，我们对开发一种不涉及杀戮的方法很感兴趣，因为这就是毒性和环境问题的来源。我们感兴趣的是阻止真菌引起的大多数问题的第一步，也就是附着。为了引起疾病，甚至在浴室的瓷砖和灌浆之间生长，它们需要首先附着在表面上。如果你能阻止它，那么原则上你就能阻止后面的问题。

克里斯-所以这是抗真菌的特氟龙，不粘表面，那么?你可以把一些东西放到一个表面上，这就意味着如果任何真菌试图降落在这个表面上，它就不能获得一个立足点，因此它就不能开始增殖或生长?

西蒙——我很喜欢这个比喻。

克里斯:实际的化学物质本身是什么?你是如何做到这一点的，它在一片面包上是否也能像在浴室瓷砖上一样有效?

西蒙-嗯，化学物质…我们有一些这样的聚合物看起来非常有效。一片面包的表面更具挑战性。当然，它还可以直接用于食物，所以还有其他的挑战。但我们已经测试过植物表面，它们在上面很有效;和玻璃;塑料表面;我们也做了3D打印的零件……

克里斯:这是否能对抗浴室瓷砖，大麦或小麦穗，可能遇到的所有真菌?或者是马的化学疗法，我们需要针对不同的适应症进行不同的治疗?

西蒙:我们一直在测试五种不同类型的真菌:人类病原体，农作物病原体，以及你在家里发现的真菌类型。相同的材料不一定适用于所有类型，但你不会希望材料以这种方式可用。如果你在作物上使用它，没有理由让它也对人类病原体产生抗性。但我们已经找到了可以对抗我们测试过的五种真菌中的两到三种的材料。所以这是很有希望的

克里斯-有什么能阻止微生物世界做它最擅长的事情，阻止它们进化，只是为了避开你的新化学物质施加的封锁?

西蒙:是的，这是个好问题。如果使用抗生素，细菌不产生耐药性，它就会死亡。所以细菌有很强的压力来产生抗药性。有了这个，因为我们没有杀戮，所以压强要低得多。所以我们预计——我们已经开始了这类测试——抗药性的进化将会非常非常慢，如果它真的发生的话。

克里斯:那安全呢?因为另一个主要的考虑因素是安全性，如果你要把它放在人们要吃的东西上，这是一个主要的考虑因素;还有环境安全，如果我们要在作物上喷洒这种东西，你能向我们保证这些是潜在安全的处理方法吗?

西蒙:我们不认为，事实上我们也没有看到，有明显的毒性。事实上，在人类身上，这些药物的安全记录很长。对人类有一个好处，如果它们被用于人类，那就是它们不会降解，所以它们不会释放潜在的有毒物质;但是在自然环境中，最终你会希望它们降解。我们可以对其进行修改，并且我们已经在计划进行一些修改，使其更易于生物降解，如果需要用于特定的应用，比如作物喷雾剂。

5月30日，格林尼治标准时间晚上7点20分刚过，一枚SpaceX火箭将两名NASA宇航员送入轨道。他们现在已经安全登上国际空间站，1000万人现场观看了这次发射，这是有史以来第一次由私人公司将人类送入轨道。为了找出这可能意味着什么，凯蒂·海勒采访了BBC科学与环境记者维多利亚·吉尔。

维多利亚-关于这个特殊的宇宙飞船，关于乘员龙太空舱，最酷的事情是整个旅程是完全自动化的。基本上太空舱是预先编程的，它知道去国际空间站的路。所以计划是让两位宇航员，鲍勃和道格，什么都不做，他们只需要监视所有的系统。未来的计划是让它像太空出租车一样运行。他们甚至谈到在去那里的路上能睡上一觉。所以看起来导航中的所有仪器和所有自动化的东西都正常工作。

凯蒂:哇，那一切都进行得很顺利!

维多利亚:似乎是这样，是的。如果你看过这些测试发射，就会发现摄像头完全准备好观看和分享，并向全世界展示自己。所以这是一件不可思议的事情。但是你可以从太空舱里看到宇航员的视角。这很有趣，因为仪表面板都是触摸屏。这些宇航服是在何塞·费尔南德斯的帮助下设计的;他为一些超级英雄漫画电影设计了一些好莱坞服装，所以它们看起来很像。它们看起来很有未来感，有点奇怪，它们得到了很多关注。他们的手套实际上是触摸屏感应的。所以从太空舱里看到的景色非常神奇，非常具有未来感。 And it just seems to have gone very smoothly and even docked automatically as well.

凯蒂:如果是自动化的，那么宇航员在里面的时候是在练习吗?他们……我猜他们需要知道在紧急情况下如何接管，对吧?

维多利亚:没错。如果出现任何问题，他们需要宇航员在船上接管并手动操作这个太空舱。

凯蒂:这艘宇宙飞船是商业制造的，这有多重要?

维多利亚-我实际上是在和蒂姆·皮克说话，他是英国宇航员，就像我们大多数人一样，周末被关在家里，非常兴奋和紧张地看着这次发射。正如他告诉我的，这是太空旅行新商业时代的开始。

蒂姆:自从2011年航天飞机退役以来，我们一直只依靠联盟号火箭。无论何时你有一个太空计划你都不想只依靠一种飞行器。我的意思是，在那段时间里联盟号出现了一些问题这让我们处于非常脆弱的境地。现在我们有了冗余，这很好。但是，当然，昨晚的发射和这次任务的成功将为欧洲人将来能够乘坐该飞行器进入太空铺平道路。

凯蒂:除了SpaceX之外，还有其他公司达到这种水平吗?

维多利亚-现在两家主要的公司是SpaceX和波音公司，对于欧洲航天局来说，他们宇航员的下一次飞行很有可能是乘坐波音公司的星际客机。这是一份大合同，也是NASA和SpaceX之间重要商业关系的重要组成部分。所以26亿英镑的运输合同，这基本上意味着他们可以把宇航员送到国际空间站，并希望从国际空间站回来;很明显，这是下一段旅程。但重要的是，SpaceX率先到达了那里。我认为，埃隆·马斯克，这位神秘的科技亿万富翁，正在为此大声欢呼。

凯蒂:这个想法是重复使用这个系统吗?

维多利亚-这是SpaceX的一大卖点，是可重复使用的火箭。埃隆·马斯克(Elon Musk)一直直言不讳地说:太空旅行虽然非常昂贵，但如果我们不扔掉这些昂贵得令人难以置信的推进系统，就可以节省很多钱。这是他们想要做的很大一部分。至少在测试方面，他们似乎是成功的。所以现在他们可以继续履行合同的一部分，美国宇航局得到了他们想要的东西，这基本上是时间和资源的花费，正如蒂姆·皮克所说，超越月球和火星。

蒂姆:当然，国家航天机构想要做的是慢慢地将整个国际空间站的运营交给商业公司，让他们自己成为客户。所以SpaceX是我们用来尝试和拥抱低地球轨道的一个模型。这样一来，太空机构就可以腾出时间继续探索月球和火星。因此，我们已经与国际空间站建立了同样的伙伴关系，同一批国家正在计划建立一个新的空间站，进入绕月轨道，这将有助于在20年代中期到后期实现登月。

我们正在庆祝诺贝尔奖获得成就25周年:“物质的第五态”的创造，这是一种奇怪的粒子汤，被称为玻色-爱因斯坦凝聚体。这是物理学中比较复杂的概念之一，但正是这种复杂性使它变得神秘而令人兴奋——对量子计算机、暗物质和宇宙的结构都有影响。这个想法从何而来?克里斯·史密斯收到了两位玻色-爱因斯坦凝聚态物理学家的来信:阿尔伯塔大学的Lindsay LeBlanc和伦敦帝国理工学院的Rob Nyman……

Rob - Satyendra Nath Bose是一位印度数学家，当你计算相同粒子的排列方式时，他对统计学有了一些认识。在量子力学中，有一个相同粒子的特殊概念。它们是如此的相同以至于你不能给它们贴上标签，即使是在原理上。这就是Satyendra Nath Bose意识到的。他试图出版他的作品。他给很多杂志写了信，但他们都不同意，因为他们不理解他的作品。最后，在绝望中，他写信给爱因斯坦说:“你能不能看看你是否理解它，也许能把它发表出来?”爱因斯坦马上就明白了，他自己做了一些计算，意识到其中一个结果就是玻色-爱因斯坦凝聚。他把这篇论文翻译成德语，并帮助发表在一篇德文文章上。

克里斯-那是多久以前的事了?

1924年，罗布-萨蒂扬德拉·纳特·玻色写信给爱因斯坦，爱因斯坦在1925年发表了他的文章。

克里斯-所以这是另一个工作的例子，它在一个世纪前就已经被理论化了，但是直到现代时代和技术才赶上来，所以我们才能真正开始研究这些人的想法?

罗布:没错。这是一个简单的想法，爱因斯坦有一个思想实验，简单地向一个系统中添加更多的粒子。它们都坍缩成一个状态，这就是玻色-爱因斯坦凝聚的本质。他有了这个想法，我们花了75年的时间才把它变成一个真正的实验，而不仅仅是一个思想实验。

Chris -正如我提到的，Lindsay LeBlanc也和我们在一起。林赛在阿尔伯塔大学，她也在研究这个。Lindsay -什么是玻色-爱因斯坦凝聚?如果我们真的在盘子里看到一个，它会是什么样子?

林赛:首先，它很小。所以你需要某种显微镜才能看到它。它是原子的集合，所有这些原子不再是单独的粒子。它们变得几乎像一个超级原子——它们都在一起活动。它们一起工作，它们创造了这种新的量子汤，它与我们所知道的其他物质具有不同的特征。

克里斯-现在，当你说它们的行为好像是一体的-当我们只有单个原子时，它们会到处嗡嗡作响，朝着随机的方向运动。你如何把它们变成玻色-爱因斯坦凝聚体让它们表现得像一个原子?

Lindsay -我们要做的第一件事就是让玻色-爱因斯坦凝聚体非常冷。当物体很冷的时候，量子力学的思想开始出现，因为我们能够摆脱与温度相关的随机性。所以我们认为热的东西，确切地说，以随机的方式嗡嗡作响。为了得到玻色-爱因斯坦凝聚体，我们需要摆脱随机性。所以我们需要把原子冷却到非常低的能量。这又回到了玻色和爱因斯坦最初的想法:为什么会发生这种情况?这是因为世界是量子的，我们只能在非常低的能量下看到这一点，当物体非常冷的时候。

量子意味着有离散的层次。所以你可以有，0个，或者一个能量单位，或者两个能量单位;但不能只有1%，不能只有一点点，要么是零，要么是一。所以如果温度足够低，这些粒子就没有足够的能量进入第一个能量单位。它们必须在底部。所以它们在冷凝物中一起作用。像我和罗布这样的实验人员在实验室里，我们必须想办法让这些原子变得那么冷。这真的是技术上的成就是由激光和所有的发展在80年代和90年代使我们第一次在实验室里得到玻色-爱因斯坦凝聚物。

克里斯:罗布，当我们真正思考这些东西的行为方式时，你能不能给我一些好的类比，让我把所有的原子都想象成一个巨大的原子，而不是一堆原子?

是的，我想对我来说最清晰的类比就是玻色-爱因斯坦凝聚体之于一个充满气体的普通气球，就像激光之于灯泡一样。非常非常激烈，所有的东西都在一起移动。所以激光是光束;灯泡散开。而且激光可以比灯泡亮得多。就像玻色-爱因斯坦凝聚体可以有很高的密度，但粒子也会一起运动。

Chris - Lindsay，当我们降到这么低的温度我们让原子变成这样的构型，它们有什么样的性质让你这样的物理学家感到兴奋?

林赛:事实上它们是量子粒子，但它们有很多，这意味着我可以和它们一起工作。所以它们足够大，作为一个实验学家，我可以用它们做一些有用的事情。在过去的25年里，人们想出了很多不同的方法来处理它们。一些例子包括量子存储器，这是我们在实验室研究的东西。我们利用原子的量子特性来存储量子信息，这与我们周围正在进行的量子计算革命密切相关。我们能够利用这个宏观物体的量子特性，获取信息，保存它，然后在以后的某个时候检索它。所以它几乎就像量子计算机的RAM或硬盘。其他应用还包括理解宇宙的结构。所以这是一个我们可以操纵的量子物体，我们可以研究它，我们可以给它拍照。我们在实验室里能做的就是用不同的方法戳戳它看看在这些条件下量子物体会发生什么。 And so we use these condensates as a simulator of other quantum systems to learn more about how many body quantum systems act in a variety of contexts.

伦敦帝国理工学院的物理学家Rob Nyman正在用光子(光的粒子)制造玻色-爱因斯坦凝聚体。克里斯·史密斯问他这是怎么回事……

罗布-玻色-爱因斯坦凝聚预测的奇妙之处在于它并没有对它们是什么类型的粒子做出任何特别的评论，除了它们必须彼此严格相同之外。只要你能使铷粒子彼此完全相同，再加上冷和密，你就能使它们形成玻色-爱因斯坦凝聚体。光的粒子光子也是如此。但让它们变冷、变稠密是件困难的事。冷原来是一个相对的东西，对于光子来说，如果你能让它们达到平衡而不消失，冷可以是室温。所以我们得想办法困住他们。我们捕获光子的方式是在一对反射率很高的镜子之间，相距可能是百万分之一米。

克里斯-那让我想想。你把一些光放在两个反射表面之间。然后我们如何把它变成冷的东西?光怎么会有温度呢?因为如果它有能量，它就有温度;光也是能量，不是吗?

罗布:这是真的。我们有一个问题，实际上我们周围的物质发射和吸收光，这是一种随机的方式。如果我们试图冷却一个黑盒子——这是我们通常描述它的方式——它只会减少粒子的数量。所以我们不会…当它变冷的时候，密度会变低我们永远无法达到那么高的密度和低温。所以我们要做一个特殊的技巧，就是我们在镜子之间放一种染料，一种荧光染料;就像荧光笔中使用的染料一样。光被染料吸收，然后重新发射。吸收和发射的结合，粒子与物质的交换;这使得光在室温下达到热平衡，而数量不会增加或减少。 And now we can just change the number. The way we do this is we essentially shine an overpowered laser pointer at our pair of mirrors until the density gets high enough that the combination of density and temperature is now appropriate to make a Bose-Einstein condensate.

克里斯:如果你做一个这样的东西，它到底是什么样子的?

光子玻色-爱因斯坦凝聚体的图像在我的实验室里看起来像一个模糊的点，大部分是黄绿色的，中间是一个亮黄色的点。周围的绿色模糊是我们所说的热成分，而明亮的黄色斑点是中间的玻色-爱因斯坦凝聚物。

Chris - Rob，你已经用光子做过了，光子是光的包;但也有一些概念上的引力子粒子，据说能让引力从一个物体传递到另一个物体。我的意思是，我们没有证据证明它们存在，但它们是否也可能因此形成玻色-爱因斯坦凝聚体?如果有，会是什么样子?

罗布:原则上?是的。人们可以从任何粒子中形成玻色-爱因斯坦凝聚体，这些粒子首先需要严格相同，比如引力子，引力粒子。其次，它们需要达到热平衡，而不能增加或减少它们的数量。如何使引力子达到热平衡，我不清楚;我没有看到一个特殊的构型，但我也看不出有什么理由不能看到。如果可以，那么它们看起来会是一个非常大尺度的重力波。非常像引力波，例如，绕黑洞运行的引力波。

克里斯:在你的实验中，我有点纠结的是你是如何确保你的光不会被镜子吸收，失去能量，然后消失的。还有就是你不会因为镜子足够热而增加更多的光子，从而混淆你的结果。你是怎么保持干净的?

罗布:这些镜子质量非常好。它们的反射率约为99.997%，这意味着光线在最终通过镜子之前反弹了大约3万次。这足够让染料的吸收和发射的热平衡过程发生。所以最重要的是镜子足够好，在这种情况下，结果是你能让他们从最好的公司买到的最好的镜子。

克里斯-虽然很可爱，但有什么意义呢?我们从中学到什么?那么基于光子的玻色-爱因斯坦凝聚态的应用是什么呢?

罗布:其中一点是，玻色-爱因斯坦凝聚是一种相变，就像蒸汽凝结成液体一样。这就是为什么它被称为缩合。所以我们可以用光子玻色-爱因斯坦凝聚来理解相变是什么。这是对教科书定义的重新审视，重新理解，但这仍然是非常学术性的。另一件事是，我可能会把你关于应用程序的问题反过来。事实证明，有间接证据表明，光子玻色-爱因斯坦凝聚正在被称为VCSELs的设备中发生:垂直腔面发射激光器。它们听起来很深奥，但几乎每一个电脑鼠标中都有一个这样的鼠标。所以现在还不能完全确定，但似乎光子玻色-爱因斯坦凝聚已经在数十亿个设备中进行了十多年。只是我们还没有意识到。

制造玻色-爱因斯坦凝聚体通常需要占用整个房间的设备。但几年前，美国宇航局的冷原子实验室成功地将整个装置爆炸到国际空间站，他们现在开始进行令人兴奋的实验。菲尔·桑索姆从罗布·汤普森那里听到的，他是这个项目的科学家……

我们已经建造了一个设备，可以让科学家在国际空间站的微重力环境下研究超冷物质。我们在太空中制造玻色-爱因斯坦凝聚体。

菲尔-这听起来，从表面上看，超级酷。

无论是字面上还是比喻上，我都认为是的。

菲尔:为什么?有什么意义?

罗布:有什么意义?重力会影响这类实验。人们在地面上做这些实验，但几乎每一个地面实验都至少有某种重力的影响，这限制了你观察原子的时间。对于那些真正想要达到终极灵敏度的实验来说，进入微重力环境将使这些类型的实验受益。

菲尔-你能给我具体点吗?例如，与地球上相比，你能让玻色-爱因斯坦凝聚物在太空中持续多久?

罗布:当然。最终，极限只是你能让它们变得多冷。云越冷，气体膨胀的速度就越慢，我们观察它的时间也就越长。在我们的实验中，我们的目标是5秒。据我所知，地球上的记录是大约两秒。

菲尔:太空本身很冷，所以你需要把这些东西冷却到超级冷，这有帮助吗?

罗布:不，没有。虽然太空非常冷，但它比绝对零度高几度。我们试图达到的温度低于绝对零度的十亿分之一度。所以，虽然太空对我们大多数人来说是相对寒冷的，但在这个实验的背景下，它实际上是非常非常热的。

菲尔:是国际空间站上的宇航员在控制这些并做实验吗?

罗布:哦，所以我们完全在地球上进行实验。基本上我们可以连接到它，就像我们通过互联网连接到一台机器一样。

Phil -你希望通过你的科幻空间玻色-爱因斯坦凝聚实验室实现什么?

我真的希望我们能实现科学团队的目标，因为我觉得这些目标太棒了。有几个团队专注于原子干涉测量，这种利用原子的波状性质来制造这些难以置信的敏感量子传感器的能力。其中一个团队将测试爱因斯坦的广义相对论，同时寻找暗能量的某些候选者。

为什么不是物理学家的人要关心这个?

这些问题，我认为最终，对人类来说是很重要的，需要思考并找到答案，但也有很多更实际的，潜在的应用。我们可以使用这些原子干涉仪作为导航，用于航天器导航和探测等等。我们可以利用它们来帮助监测气候变化的影响。当你有像冰盖融化这样的东西时，这些东西会改变该地区地球的局部重力。我认为你从基础科学，基础物理中学到的东西;你总是会惊讶于它最终会变得非常重要。