中国天宫空间站创造超低温新纪录：约2万枚原子被冷却至绝对零度以上97亿分之一度

中国科学家在天宫空间站完成的一项量子物理实验，创造了迄今为止人类实现的最低温度纪录。研究人员成功将约2万枚铷原子冷却至接近绝对零度的极端状态，其等效温度估计仅为绝对零度以上9.7皮开尔文（0.0000000000097开尔文），比此前保持的38皮开尔文纪录低了约四倍。

这项实验的另一个重要突破，是研究人员能够在更长时间内追踪超冷原子云的膨胀过程，为科学家研究极端低温条件下的量子物理现象提供了更充裕的观测窗口。

绝对零度是热力学温标的理论下限，对应摄氏零下273.15度。在这一温度附近，物质中原子的热运动被极大程度地抑制。不过，根据热力学第三定律，任何有限的实验过程都无法真正达到绝对零度。科学家能够做的，是不断降低物质的温度，使其无限接近这一理论极限。

极低温研究的重要成果之一，是1995年美国国家标准与技术研究院和科罗拉多大学博尔德分校的研究人员首次制备出玻色—爱因斯坦凝聚态。当时，研究人员将铷原子冷却至高于绝对零度约20纳开尔文的温度，使大量原子进入同一个量子态，形成一种全新的物质状态。

在玻色—爱因斯坦凝聚态中，原本表现为独立粒子的原子开始展现出集体量子行为，整个原子云在一定程度上可以被视为一个宏观物质波。这使科学家能够在实验室尺度上研究通常只存在于微观粒子世界中的量子现象。

此后，科学家不断刷新低温纪录。2003年，美国麻省理工学院参与的一支研究团队利用磁阱技术，将钠原子冷却至约450皮开尔文。其基本原理是逐渐减弱对原子的约束，让运动速度最快、能量最高的原子逃离，从而带走热量，降低剩余原子云的平均温度。

不过，磁阱也存在局限性。磁场会影响被困原子的自旋状态，进而干扰某些精密量子实验。因此，科学家一直在寻找能够减少磁场干扰、同时实现更低温度的替代方案。

2021年，研究人员利用德国不来梅大学的落塔开展实验，通过自由落体创造短暂的微重力环境，再借助磁透镜让铷原子云膨胀，最终实现了38皮开尔文的有效温度，创造了当时的最低温度纪录。

此次天宫空间站实验则利用了轨道微重力环境带来的更长观测时间。研究人员通过多束相交激光形成光学偶极阱，将原子限制在一个对磁场不敏感的空间区域内。与传统磁阱不同，这种光学陷阱能够减少磁场对原子自旋状态的影响，为精密量子实验提供更稳定的条件。

实验首先利用激光冷却和蒸发冷却技术降低铷原子的运动能量，形成玻色—爱因斯坦凝聚态。随后，研究人员在外加磁场中施加一个非常缓慢的梯度，使运动速度更快的原子进一步逃离，再将剩余运动较慢的原子转移到一个更宽、更弱的光学陷阱中。

最后，研究人员逐渐降低光学陷阱的约束强度，并释放原子云，让其在微重力环境下自由膨胀。

如果在地面进行同样的实验，地球引力会迅速拉动原子云，使其难以长时间保持理想的自由膨胀状态。而在天宫空间站的轨道自由落体环境中，研究人员能够显著放宽对原子云的约束，让其膨胀过程持续更长时间。

研究团队从两个不同方向拍摄原子云，并根据其沿三个空间轴扩散的速度进行测量。最终计算得出的有效温度范围为7.0至12.9皮开尔文，中间值约为9.7皮开尔文。

需要特别说明的是，9.7皮开尔文并不是通过传统温度计直接测量得到的读数，而是研究人员根据原子云膨胀所对应的能量推算出的有效温度。对于这种极端低温的量子气体，常规温度测量方法已经难以直接适用。

此次实验还创造了另一项重要纪录：研究人员能够持续追踪原子云的膨胀过程约7秒钟。对于普通物质而言，7秒似乎并不算长，但在这种极低温量子实验中，原子云一旦扩散得过于稀薄，就会失去进一步观测和研究的价值。因此，延长可观测时间本身就是一项重要进展。

更低的有效温度与更长的观测窗口，将有助于未来开展更加精密的物质波干涉实验。科学家可以将原子波分成不同路径，再让它们重新汇合，通过观察相位差来检测极其微小的变化。

这类仪器有望用于检验不同原子在引力作用下是否具有完全相同的自由落体行为，从而为测试爱因斯坦广义相对论提供新的实验手段。此外，通过精确控制激光场的空间分布，研究人员还可以利用超冷原子模拟一些难以在普通实验室条件下直接观察的特殊量子状态。

这项研究成果已经发表于国际学术期刊《Science》。它不仅刷新了人类创造的最低温度纪录，也证明了空间微重力环境能够为极端低温量子实验提供地面实验室难以实现的条件。

从1995年首次制备玻色—爱因斯坦凝聚态，到2021年实现38皮开尔文，再到此次天宫空间站将有效温度进一步降低至约9.7皮开尔文，人类正在不断拓展对量子物质的操控能力。虽然绝对零度永远无法真正达到，但每一次向这一极限靠近，都可能让科学家观察到此前无法触及的物理现象。