宇宙中最冷的地方

苗千

地球環境適合人類生存，允許液態水的存在，主要原因在于地球可以接收到太陽的照射，在地球內部有頻繁運動，在表面又有大氣層的保護。而在太空中缺少了這些必要條件，溫度自然也就極低。根據物理學定律，絕對零度為零下273.15攝氏度（或者也可以記為0開爾文），這是一種在理論上無法達到的狀態。即使是在看似空無一物的太空中的溫度也要高于絕對零度，彌漫在宇宙中的宇宙微波背景輻射（Cosmic Microwave Background）讓太空中的平均溫度達到了2.725開爾文。那么宇宙中最冷的地方在哪里？要達到接近絕對零度的極低溫度，需要精心設計，人類曾在地球表面的實驗室中創造出已知的宇宙中的最低溫度，而更低的溫度，可能即將出現在地球軌道上的國際空間站（International Space Station）中，這也標志著人類探索物質本質的又一個進步。

美國物理學家埃里克·康奈爾（左）與美國科學家戴維·維恩蘭德

人們常見的物質形態有固態、液態和氣態等。實際上，在一些極端條件下，物質還會呈現出更多奇特的狀態。例如，在極低的溫度條件下，某些特定的原子就會呈現出一種在量子力學的描述中，更接近于“波”的狀態。在20世紀20年代，印度物理學家薩特延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose）和愛因斯坦做出預測，玻色子原子（遵守玻色統計，可以有多個原子處于同樣能量狀態的原子）在接近絕對零度的溫度狀態下，會呈現出一種氣態的、超流性的物質狀態，這種理想中的物質狀態被稱為玻色-愛因斯坦凝聚態（Bose–Einstein condensate）。在這種狀態下，理論上玻色子原子因為處于極低的能量態，它們的波函數發生重合，從而可能展現出一種“宏觀的量子態”——也就是說，在理論上兩個處于玻色-愛因斯坦凝聚態的物質在一起，它們并不會發生融合，而是會像波一樣發生干涉。

這種理論上的預測出現之后，很多物理學家都試著通過實驗真正創造出這樣的物質狀態，然而其中最艱難的部分莫過于在實驗室中創造出接近絕對零度的溫度，因為在極低的溫度狀態下，任何擾動，或者是實驗對象與周圍環境的接觸都可能造成實驗失敗。直到1995年，美國物理學家埃里克·康奈爾（Eric Cornell）在實驗天體物理聯合研究所（Joint Institute of Laboratory Astrophysics）的實驗室中，首次把處于氣態的銣原子冷卻到只比絕對零度高出十億分之一開爾文的極低溫度，第一次觀察到了玻色-愛因斯坦凝聚態。這遠遠低于人們已知的宇宙中其他任何位置的溫度。因為這項實驗成就，埃里克·康奈爾也與卡爾·威曼（Carl Wieman）和沃爾夫岡·克特勒（Wolfgang Ketterle）共同獲得了2001年的諾貝爾物理學獎。

玻色-愛因斯坦凝聚態向人們展現出了物質在極端條件下的奇特行為，量子力學所描述的大多出現在微觀世界的情形也在宏觀條件下出現，向人們展示了物質本質的另一面。而探索并沒有止步于此，人類對于低溫的追求更是沒有止境。下一步，在更低的溫度條件下研究玻色-愛因斯坦凝聚態的實驗將會出現在太空中。

想要在地球表面實現沒有重力干擾的實驗環境殊為不易。2007年，在德國不來梅應用空間科技與微重力中心，物理學家們從一個146米的高塔上扔下一個冷原子實驗設備——在這個長達5秒鐘的自由落體過程中，設備內部相當于處于沒有重力的狀態，在這個過程中實驗設備內部達到了百億分之五開爾文的低溫。時至2017年1月23日，一個名為“QUANTUS”的合作試驗項目在瑞典北部發射了一枚火箭，在距離地面240公里的高空中，長達6分鐘的失重條件下，實驗人員首次在太空中實現了玻色-愛因斯坦凝聚態。

在2018年，美國航空航天局（NASA）將會把一個價值7000萬美元的冷原子實驗室（Cold Atom Laboratory）發射升空至國際空間站，讓地面上的科學家可以控制宇宙空間站內的設備進行低溫試驗。這個看起來只有冰箱大小的冷原子實驗室正在由位于加州的噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory）建造，目的正是要在太空中獨特的低溫和微重力環境中達到更低更穩定的試驗溫度，從而觀測一些在地面上無法實現的物理現象。

在地面環境中，因為受到重力的影響，物質無可避免地要落向地面，因此物理學家們只能維持大約10～20微秒的玻色-愛因斯坦凝聚態進行觀察，而在國際空間站的微重力條件下，冷原子實驗室的項目科學家羅伯特·托馬森（Robert Thompson）認為，玻色-愛因斯坦凝聚態將可以維持5～10秒的時間，而在經過調整和升級之后，科學家預計這種狀態將可以維持上百秒——直到實驗環境被外界過熱的氣體所破壞。這將留給物理學家極大的自由度進行各種實驗。

在太空中微重力的條件下，更容易實現更低的試驗溫度。冷原子實驗室實際上可以被看成是一個發射激光的盒子：在接近真空的實驗環境中，通過調制的固定頻率的激光照射原子，使原子釋放出光子，達到其最低能量狀態，同時微波又可以像刀一樣，不斷將能量過高的原子隔除到實驗環境之外，通過這樣的手段就可以使眾多原子共同達到極低溫狀態。在沒有重力干擾的情況下，可以通過相比地面更微弱的磁場來限制原子的運動，而又不至于令其丟失。類似于熱脹冷縮的原理，更微弱的限制也更容易達到更低的溫度——通過這種手段有可能達到史無前例的低溫。

冷原子實驗室在國際空間站投入工作之后，在地球上將有5個研究小組對其遙控進行實驗，其中就包括諾貝爾獎得主埃里克·康奈爾。玻色-愛因斯坦凝聚態作為一種宏觀的量子物體，對于外界的任何干擾都會極其敏感，人類有可能利用它制作極為靈敏的傳感器和鐘表。另外冷原子實驗室還將對費米子原子進行降溫，模擬電子在固體中的行為，這可以幫助人們理解超導現象，人們還可以利用這種物質狀態直接對引力進行測量，研究引力和暗能量的本質。宇宙空間和物質本質更深刻的秘密，有可能正是藏在太空之中。

（本文寫作參考了《科學》雜志和美國航空航天局網站的報道）endprint