NASA将发射冷原子实验室，造出宇宙最冷之地

NASA冷原子实验室上的设施将使用激光器和其他技术，将原子冷却到绝对零度附近。 图片来源：英国《自然》杂志官网

量子物理学家即将在太空拥有自己的“游乐场”。据英国《自然》杂志官网8日消息，美国国家航空航天局（NASA）的冷原子实验室将于5月20日发射升空，进入国际空间站。届时，它将成为目前宇宙中最冷的地方，研究人员将用它探测在地球上无法观察到的量子现象，如在太空制造“泡泡”“环”和“漩涡”等，从而以前所未有的方式“玩转”量子力学。

研究人员指出，这可能促使科学家发现新物理学，推进前沿物理学的发展。

宇宙间最冷之地：

量子力学的“乐园”

该实验室由NASA的喷气推进实验室（JPL）负责。研究人员称，冷原子实验室耗资8300万美元，主要目标是制造出名为“玻色—爱因斯坦凝聚体（BEC）”的独特“超流体”物质态，供科学家研究宏观尺度上的量子力学。

BEC是数十万个原子组成的云，当被冷却到绝对零度附近时，数十万个原子的行动保持同步，就像单一的量子物体一样。该任务项目经理、喷气推进实验室的卡姆尔·奥德瑞自豪地表示：“能够在太空进行这些实验是一项巨大的成就。”

在地球上，一般情况下，重力在几秒钟之内就会让BEC分崩离析。但如果它们漂浮在国际空间站，应该能“存活”至少10秒钟。这一时间足够让它们被冷却到创纪录的低温——可能只比绝对零度高20万亿分之一摄氏度。

奥德瑞说，这是宇宙中已知最冷的温度。美国国家标准与技术研究院（NIST）原子物理学家格雷琴·坎贝尔说，更冷且更“长寿”的BEC将“推动前沿基础物理领域的研究，15年来，科学家一直期盼会产生新的物理学。”

麻雀虽小五脏俱全：

工具包大小的实验设备

国际空间站可谓“寸土寸金”，所以工程师不得不压缩原子物理设备的大小，将填满一个大房间的设施压缩到一个冷藏箱大小的箱子内。该设备利用激光来冷却铷和钾原子，使它们几乎停滞不动；然后，用磁场捕捉原子云；最后，科学家将使用其他冷却技术——包括无线电波“刀”来剥离能量最高的原子等，将原子云冷却到更接近绝对零度的温度，从而创造出BEC。

此外，工程师还必须设计屏蔽层，以保护脆弱的BEC免受密集组件和不断变化的地球磁场的干扰。而且，实验只有在国际空间站上的科研人员睡觉之后才运行，以尽量减少任何运动可能造成的干扰。

该技术比最初设想的要简单，因为更复杂的实验室版本出现了问题，影响了真空室并且可能会导致项目延期，这导致物理学家暂时无法实现他们的最终目标——执行基于太空的原子干涉测量，这个过程会将BEC的量子波分成两部分并重新组合，得到的干涉图案让科学家可以更精确地分析重力的影响，也能让他们测试BEC是否可用作极为灵敏的旋转和重力传感器。

不过，该任务科学家、JPL的罗伯特·汤普森说，更高级的套件应该会在2019年底到达国际空间站。

玩转量子力学：

气泡、环和漩涡

汤普森说，尽管装备不足，但物理学家仍可就目前的情况发现新物理学。届时，将有5支研究团队使用这一实验室进行实验。其中一个团队计划使用无线电波和磁场，让BEC形成约30微米的气泡形。根据量子力学，由于气泡既纤薄又没有边缘，BEC的行为应与地球上形成圆盘或球体时的行为迥然不同。

史密斯学院理论物理学家科特尼兰·内特说，它可能更容易形成一种名为“涡流”的旋涡。在地球上，当流体下落时，试图产生气泡的过程总是以碗形状结束。她说：“除非我们能摆脱重力，否则我们根本无法获得这种形状。”

科罗拉多大学的埃里克·康奈尔与他人共同发现BEC而荣获2001年诺贝尔物理学奖，此次，他领导的团队将尝试创造出被称为“埃菲莫夫”（Efimov）态的奇异的松散结合系统。这一物质形态以1970年提出其存在的俄罗斯理论物理学家维塔利·埃菲莫夫的名字命名，在原子结合力太弱而不能结成对，从而形成“三人组”的情况下，这些量子态会突然“现身”。这一结构与著名的拓扑结构博罗米尔（Borromean）环类似。乍看上去，博罗米尔环是三个互锁的环，但细看则不然：没有两个环是互锁的。如果打断任一个环，整个结构就分开了。只有保持三个环都完整，这些环才能结合在一起。

核物理学家对这一结构非常感兴趣，因为它们与由中子和质子构成的罕见的三粒子核类似，而科学家目前对三粒子核知之甚少。

康奈尔团队希望创造最简单的埃菲莫夫态，以及其受激发的膨胀态。在受激发的埃菲莫夫态中，尽管原子间存在细菌大小的缝隙，但其彼此依附。华盛顿州立大学铂尔曼分校的物理学家玛伦·莫斯曼说，康奈尔团队也许能制造出由4个原子组成的此类结构——所谓的四聚体（tetramer）。

自1997年加入JPL，汤普森一直致力于创建这样的太空实验室。他认为，目前的实验室是向更复杂的太空原子物理实验室迈出的关键一步。NASA正与德国航空航天中心（DLR）携手建造一个名为BECCAL（玻色-爱因斯坦冷凝体和冷原子实验室）的设施。