國際空間站的冷原子實驗室

沈羨云

空曠的太空極度寒冷，但現在“寒冷之最”的桂冠已經讓位于國際空間站。利用美國國家航空航天局的冷原子實驗室，科學家們計劃在空間站上創造出溫度接近絕對零度（相當于-273.15℃）的超低溫環境，從而可以在這樣的特殊環境下開展量子力學方面的研究工作。

為什么冷原子實驗室要上天

2018年5月21日，在美國國家航空航天局沃洛普斯飛行基地，安塔瑞斯火箭載著“天鵝座”飛船發射升空。這次任務中最引人注目的是冷原子實驗室，冷原子實驗室是物理研究設備，它是由美國宇航局噴氣推進實驗室的科學家設計制造的，價值7000萬美元，尺寸如家用冰箱大小?？茖W家將該設備運上空間站，旨在將該實驗室置于微重力環境中，利用激光和磁力讓“原子云”冷卻到接近絕對零度的超冷溫度，形成“超流體”物質狀態，即玻色-愛因斯坦凝聚體（BEC），從而對移動非常緩慢的“原子”進行觀察。科學家預計，“原子云”將在“超流體”狀態下呈現出“神秘的波形”，表現出許多令物理學家感興趣的量子特征，這將導致有趣的新量子現象的發現。

地球上也有冷原子實驗室，也可以“制造”出BEC來，為什么要費這樣大的力將它搬上太空呢？這是因為一個多世紀以來，觀測原子是物理學的一項重大難題。由于地球引力的作用，原子運行速度無法被放慢，自由進化的原子速度無法讓物理學家們細致地觀察它們，因此科學家幾乎沒有機會來研究它們的量子特性。國際空間站沒有重力的干擾，是開展此類實驗的理想場所。

物質第五態—玻色-愛因斯坦凝聚態（BEC）

目前物質存在的形態總共有6種，分別是氣態、液態、固態、等離子態、玻色-愛因斯坦凝聚態和費米子凝聚態。費米子凝聚態與玻色-愛因斯坦凝聚態都是物質在量子狀態下的形態。

BEC是怎樣產生的呢？如果我們讓物質不斷冷下去，一直冷到不能再冷下去，比如說，接近絕對零度，在這樣的極低溫下，奇跡出現了：所有的原子似乎都變成了同一個原子，再也分不出彼此了！這就是物質的第五態—玻色-愛因斯坦凝聚態。

說起BEC，還有一段故事：1924年，年輕的印度物理學家玻色提出了一種新的統計理論，它與傳統的統計理論僅在一條基本假定上不同。在傳統理論中，人們假定一個體系中所有的原子或分子都是可以被辨別的，我們可以給一個原子取名張三，另一個取名李四……，并且不會將張三認成李四，也不會將李四誤認成張三。玻色卻挑戰了上面的假定，認為在原子尺度上，我們根本不可能區分兩個同類原子（如兩個氧原子）有什么不同。接著，玻色討論了如下一個問題 ：將N個相同的小球放進M個標號為1，2……M的箱子中，假定箱子的容積足夠大，有多少種不同的放法？在此問題的基礎上，采用與傳統統計相似的作法，玻色便得到了一套新的統計理論。但玻色的論文遭到退稿，他隨后將論文寄給愛因斯坦。愛因斯坦意識到玻色工作的重要性，立即著手研究這一問題。他將玻色的理論用于原子氣體中，進而推測，在正常溫度下，原子可以處于任何一個能級（能級是指原子的能量像臺階一樣從低到高排列），但在非常低的溫度下，大部分原子會突然跌落到最低的能級上，就好像一座突然坍塌的大樓一樣。處于這種狀態的大量原子的行為像單個粒子一樣，具有完全相同的物理性質。后來物理學界將物質的這一狀態稱為玻色-愛因斯坦凝聚態，它表示原來不同狀態的原子突然“凝聚”到同一狀態。打個比方，練兵場上的士兵剛解散不久，突然指揮官發令“向東齊步走”，于是所有的士兵像一個士兵一樣整齊地向東走去。如果將士兵縮小到原子尺度，以至于分辨不出誰是誰，我們便看到了BEC。

值得注意的是，這里的“凝聚”與日常生活中的凝聚不同，它表示原來處于不同狀態的原子突然“凝聚”到同一狀態（一般是基態）。形象地說，這就像讓無數原子“齊聲歌唱”，其行為就好像一個玻色子的放大。愛因斯坦和玻色在20世紀初就預言：將兩個BEC物質疊加，它們并不會表現為類似普通氣體的相互混合的特征，而是表現出波的特征—兩者會發生干涉，于是兩個原子結合之后沒有產生任何原子，就像兩個波，波峰和波谷相遇疊加之后整個波消失一樣。

玻色-愛因斯坦凝聚體的實現

國際空間站冷原子實驗室的第一個任務就是創造更低溫環境來制造BEC，然而實現BEC的條件是極為苛刻和“矛盾”的：一方面需要達到極低的溫度，另一方面還要求原子體系處于氣態。實現低溫的傳統手段是蒸發制冷；朱棣文、塔諾季、菲利普斯發展的激光冷卻和磁阱技術，成為另一種有效的制冷方法，他們3人因此分享了1997年的諾貝爾物理學獎。1976年，科學家證明，在任意低溫下處于自旋極化的氫原子始終能保持氣態，則為實現第二個要求提供了希望。遺憾的是，眾多的實驗物理學家將自旋極化的氫原子氣體降溫，并未觀察到BEC現象。于是美國科學家維曼和康奈爾開始將興趣轉向堿金屬原子氣體，1995年，他們將銣原子限制在磁阱中進行激光冷卻，首次成功地觀察到原子氣的BEC現象。同年，德國科學家克特勒也在鈉原子氣中實現了BEC。BEC的實現不僅在基礎研究方面具有重大意義，還可能在“原子芯片”和量子計算機等方面有廣泛的應用前景。因此，2001年諾貝爾物理學獎授予了維曼、康奈爾和克特勒，以表彰他們在BEC實驗方面的開創性工作。

國際空間站可謂“寸土寸金”，所以工程師不得不壓縮原子物理設備的大小，將填滿一個大房間的設施壓縮到一個冷藏箱大小的箱子內。該設備利用激光來冷卻銣原子和鉀原子，使它們幾乎停滯不動；然后，用磁場捕捉原子云；最后，科學家將使用其他冷卻技術—包括無線電波“刀”來剝離能量最高的原子等，將原子云冷卻到更接近絕對零度的溫度，從而創造出BEC。

此外，工程師還必須設計屏蔽層，以保護脆弱的BEC免受密集組件和不斷變化的地球磁場的干擾。而且，實驗只有在國際空間站上的成員睡覺之后才運行，以盡量減少任何活動可能造成的干擾。

物理學家們還有一個“小目標”，那就是發射一顆專用的實驗衛星來實現太空中冷原子實驗。目前，空間站雖然提供了失重環境，但內部充斥著諸如泵和其他機械的震動噪聲，一個更安靜的衛星環境或許能讓冷原子實驗達到更高的精確度和靈敏度。不過，無論之后的計劃多么宏大，一切的基礎是科學家必須先學會如何在太空中進行原子物理研究，這也是國際空間站冷原子實驗室建立的真正目的。