比外太空还要冷3000亿倍！中国空间站造出了全宇宙最冷的东西

说到冷，很多人最先想到的是太空。宇宙深处大约是零下270摄氏度，已经接近温度的尽头。

可在离地面约400公里的中国空间站里，有一团原子要冷得多。和它比起来，太空简直算得上“温暖”：宇宙深处的温度，是这团原子的将近3000亿倍。

这团铷原子的温度是9.7皮开尔文，是人类迄今造出过的最冷的东西。

中国空间站光阱中的铷原子被冷却到9.7皮开尔文，是人类迄今造出过的最冷的东西丨北京大学周小计

皮开尔文（简称皮开）是个小得离谱的温度单位。科学家常用的开尔文温标，从绝对零度算起。绝对零度是零下273.15摄氏度，是理论上的温度下限。1皮开只有1开的万亿分之一。也就是说，这团原子只比绝对零度高了大约千亿分之一度。

这一成果11月6日发表在国际期刊《科学》上，刷新了2021年创下的38皮开纪录，由北京大学、中国科学院上海光学精密机械研究所、中国科学院空间应用工程与技术中心等单位联合完成。

为了这几皮开，团队从论证到出成果，前后花了15年。

透过观察窗看到的铷原子团丨中国科学院空间应用中心

物理学家为什么要跟“冷”这么较劲？因为冷到极致，原子会露出另一副面孔。

冷到极致，原子“抱团”

温度就是原子运动的剧烈程度。室温下，一颗铷原子每秒能跑大约270米，和民航客机的速度差不多。冷到几皮开时，它每秒只能挪动几百分之一毫米，还不到半根头发丝那么宽，连蜗牛爬行都比它快几十倍。

原子慢下来之后，怪事就发生了。

在微观世界里，每颗原子不光是一颗小球，同时也是一列波。温度高的时候，这些波又短又乱，各管各的。温度越低，波就拉得越长。冷到接近绝对零度时，成千上万颗原子的波叠到一起，步调完全一致，就像体育场里整齐划一的人浪，整团原子变成一颗巨大的“超级原子”。

物理学上把这种状态叫作玻色-爱因斯坦凝聚体。很多藏在电子、材料里很难直接看到的量子现象，在它身上会被放大，变得看得见、测得着。原子越冷，动得越慢，科学家就能盯着它看得越久，测得越准。

所以，这个领域一直在比谁能冻到更冷。

玻色-爱因斯坦凝聚体速度分布图丨ResearchGate

在地面上，最大的麻烦是重力。

原子又轻又慢，稍一松手就会往下掉。实验装置只好使劲把它们兜住，可这就像抓一把跳蚤，抓得越紧，它们蹦得越欢，温度怎么也压不下去。

物理学家想过不少办法。

一种是用磁场把原子托起来，抵消重力。但磁场只托得住内部“小磁针”（也就是自旋）朝特定方向的原子，朝向不对的会直接掉下去。这好比要把一群人托起来，就得要求所有人摆同一个姿势，那些需要原子摆出不同姿势的实验就没法做了。

另一种办法是干脆让整套装置自由下落。下落的时候，原子感受不到重力。德国不来梅有座专门的落塔，就像一台巨型跳楼机，之前38皮开的纪录就是在这里拿到的。可一次下落只有几秒钟，原子能自由扩散、供人观察的时间只有2秒。

德国不来梅微重力落塔 丨ESA Education

要摆脱重力干扰，理想的地方是空间站。国际空间站上的冷原子实验室，常年处在失重状态，达到过52皮开，这是此前太空中的最低纪录。不过它仍然用磁场来困住原子，可观察的时间只有1秒。

用光做一只“碗”

中国团队换了一条路：用光。

说起激光，很多人想到的是切割、加热。可在冷原子实验里，激光恰恰是制冷的主力。几束激光聚焦后，还能在空中形成一个“碗”，把原子兜在里面，这就是光阱。它比磁场灵活，也不挑原子摆什么“姿势”。

但在这次实验之前，还没有人在太空里用光阱造出过凝聚体。

地面上同类实验系统体积有20立方米、重10吨，团队要把它压成一个0.7立方米、0.5吨重的柜子，还得经得起火箭发射的颠簸，在轨道上全自动运行，难度可想而知。

中国空间站上的超冷原子物理实验柜科学实验系统丨中国科学院空间应用中心

团队先用激光给铷原子降温，再用一种叫蒸发冷却的方法继续降。道理和一杯热水变凉差不多：最“热”、跑得最快的那些原子被放走，剩下的平均下来就更冷了。最终，他们得到了一团由大约2万颗铷原子组成的凝聚体。

接下来是关键一步：松手。

他们把原子转移到一个更宽的光阱里，然后慢慢减弱激光，一点点松开。在地面上，这样一松手，原子会直接掉下去。在空间站里不会，光阱可以弱到几乎不使劲。原子被挤压得越少，松开后往外扩散的劲头就越小。

中国空间站超冷原子实验光阱示意图丨中国科学院空间应用中心

冷到这个程度，已经没法拿温度计去量了。科学家追踪这团原子云扩散得有多快，再反推出它有多冷。

结果是9.7皮开，只有之前纪录的1/4左右。考虑测量误差，真实数值落在7.0到12.9皮开之间。

观察时间也拉长了。这团原子云能被连续追踪7秒，落塔实验是2秒，国际空间站是1秒。对精密测量来说，能看的时间越长，捕捉到的细微变化就越多。

中国空间站超冷原子实验重叠达到玻色-爱因斯坦凝聚体示意图丨中国科学院空间应用中心

一团原子，两件大事

手握这样一团几乎不动的原子，科学家打算干两件大事。

一件是做量子模拟。

科学家可以用精心调制的激光，在太空里搭出各种奇特的“地形”，看原子在里面会变出哪些地面上难以研究的量子状态。比如把原子限制在一条线上，看它们整齐划一的“人浪”会怎样被打乱。

另一件是造一台太空版的原子干涉仪。

它的思路有点像让一团原子“分身赛跑”：把原子的波一分为二，让两路波走不同的路线，再重新汇合。哪怕两条路上只差一丁点，汇合时也会露出痕迹。这种仪器对重力的变化格外敏感，将来还有望用在导航和地球观测上。

用这台仪器，可以检验一个物理学最基本的假设。

这个假设叫等效原理，它的大意是，在同一个引力场里，不管物体是什么材质、有多重，下落得都一样快。爱因斯坦的广义相对论就建立在这个假设上。要是哪天发现两种原子下落的快慢有一丝差别，物理学的地基就得重新审视。

相传400多年前，伽利略在比萨斜塔上验证过这件事。如今，接手这道题的是一团比宇宙深度还冷千亿倍的原子，在中国空间站上。

研究团队合影丨中国科学院空间应用中心

作者：Steed

封面图来源：北京大学周小计

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