宇宙中最冷的實驗

鄔裔

你能想到的最冷的地方在哪里？

在冬季，南極洲的溫度低至零下85℃;在月球的陰暗面，溫度可達到零下173℃;自然界中已知最冷的物質是液氦，它的溫度是零下269℃。

不過宇宙中有這樣一個地方，它的溫度比液氮還要冷得多，只比絕對零度（理論預言的物質能夠達到的溫度極低限）高十億分之一度，這個地方就是位于國際空間站的冷原子實驗室。顧名思義，冷原子實驗室就是制造“超冷”原子云的地方。

不過，科學家們為什么要在太空中造出比絕對零度高出幾十億分之一度、甚至幾百億分之一度的原子云呢？這還要從最有名的物理學家愛因斯坦說起。

最冷條件下的新狀態

1925年，愛因斯坦單獨發表了一篇名為《理想氣體的量子統計》的論文。在這篇論文中，愛因斯坦首次預言了玻色-愛因斯坦凝聚態，這是一種原子在極低溫度下所達到的物質狀態，在固態、液態、氣態和等離子態之后，它被稱為物質的第五種狀態。為什么叫玻色-愛因斯坦凝聚態呢？這里有一個小故事。

通常，在我們的概念中，組成物質的粒子都是一個個單獨的個體，它們都做著各自的不規則熱運動，運動的大小和方向各不相同，這些粒子都處于不同的狀態，也就是說，各個粒子是可以區分的。

然而，早在1924年，一位印度的數學物理學家玻色在研究光子統計的時候，就提出了一個想法，微觀粒子存在彼此不可區分的情況，在得出這個想法之后，玻色馬上寫了一篇相關的論文。不過，由于當時的玻色是一個連博士學位都沒有的無名科學家，沒有期刊愿意登出他的論文。于是，玻色一氣之下，直接把論文寄給了愛因斯坦。愛因斯坦看到玻色的論文非常激動，親自將玻色的論文翻譯成德語，并發表在德國的雜志上。后來，愛因斯坦在玻色理論的基礎上提出了玻色-愛因斯坦凝聚態的現象。人們為了紀念兩人對這種新狀態的預言，便稱它為玻色-愛因斯坦凝聚態。

講了半天這個玻色-愛因斯坦凝聚態，它到底是怎么回事呢？

微觀世界的粒子具有波粒二象性，也就是說，微觀粒子不僅可以用粒子的術語來描述，還可以用波的術語來描述。以原子為例，原子既可以看成一個粒子，也可以看成是一個波。粒子運動的特性可以用動量（粒子質量和速度的乘積）來描述，粒子波動的特性可以用波長來描述，而動量和波長呈反比，即粒子的運動速度越慢，波長越長。同時，物質的溫度來自于本身的熱運動，如果粒子運動速度降低，溫度自然就變低了。

一般情況下，原子和原子之間的距離都特別大，它們的動量也比較大。但隨著原子運動速度越來越慢，即原子的溫度越來越冷，原子就開始慢慢展現出自己波動的性質。我們可以把原子波長變長形象地比喻成原子變得越來越胖。當原子本身波長接近或者超過原子之間的距離之時，原子之間就開始“碰到”了，繼續冷下去就變成了你中有我、我中有你，所有的原子就變成了一個整體，擁有一樣的狀態，即玻色-愛因斯坦凝聚態。處于這個狀態的原子會有一些奇特的性質，而這些性質可以為我們研究原子或其他的物理現象提供一個新視角。

生產冷原子的“小盒子”

2018年5月21號，美國國家航空航天局（NASA）將一個差不多抽屜大小的小型設備——冷原子實驗室（CAL）發往國際空間站（由16個國家共同參與管理），在發送成功后的7個月里，科學家們每天都通過遠程操控的方式，生產著超冷原子，并觀測著超冷原子的行為。該冷原子實驗室由激光器、真空室和一把電磁“刀”組成，它利用了激光冷卻和蒸發冷卻兩種技術。

接下來，我們分別了解一下這兩種技術。

如果一個粒子朝我們飛來，我們該如何讓它停下來？答案自然是對著粒子運動的方向施加一個力，讓它減速。類似地，激光中的光子具有一定的動量，方向為光傳播的方向，如果光子和原子（粒子）發生碰撞，也會產生一個力，讓原子減速。由于原子的熱運動是不規則的，我們不知道它具體的運動方向，因此，就需要用激光在各個方向上讓原子減速，來降低它的溫度。這就是激光冷卻技術的原理。

雖然激光冷卻技術可以將原子溫度降到極低，但這個溫度還不足以讓原子達到玻色-愛因斯坦凝聚態。原子的進一步冷卻就需要用到蒸發冷卻技術，這個技術的基本原理類似于一杯熱水的冷卻。在人們喝水的時候，如果水太燙了，人就要吹一吹，讓水變涼。由于分子在不停的運動，水的表面有一些速度大的分子（即能量高、比較熱的分子）會脫離液態水分子集團，跑到空氣中，這部分水分子變成了水蒸氣，將水表面比較熱的水蒸氣分子吹跑，水杯中的水就涼下來了。類似地，蒸發冷卻就是將原子云中比較熱的原子移走（這部分原子能量較高，本身就容易逃離原子云），整個原子云的溫度就會下降了。

實際上，利用這兩種技術，地球上的實驗室也可以產生超冷原子。但是在地面上，重力會作用于冷卻的原子云，使它們迅速下落，原子云馬上又熱起來了。在這期間，科學家們能夠觀察玻色-愛因斯坦凝聚態原子云的時間只有幾分之一秒。雖然磁場可以用來“捕獲”原子云并使其保持靜止，但是這樣就觀測不到凝聚態原子的自然運動行為了。因此，科學家們想在太空中生產冷原子，因為在太空的微重力下，冷原子云漂浮的時間要長得多，科學家們可以對凝聚態原子的行為有更深入的了解。

不過，一個能夠送到太空中的冷原子實驗室并不容易制作。通常，地球上的冷原子設備非常龐大，能占據一整間實驗室，同時一些開關都暴露在外面，以便科學家們隨時調整設備。首先，送往太空的最冷實驗室體積要小;其次，科學家們只能在地球對它進行遠程操作。實際上，科學家和工程師們在2012年就開始制作這個太空冷原子實驗室了，但直到2018年，它才成功地被送到太空中。

改造未來的新材料

自玻色-愛因斯坦凝聚態被觀測到以來，冷原子實驗就備受關注，原因在于冷原子實驗的結果可能會導致許多技術的發展，比如傳感器、原子鐘、干涉儀和量子計算機等。

以量子計算機為例，量子計算機的實現需要利用到量子效應。經典計算機中一比特只能處于1或0的兩種二進制狀態之一，那么，兩個比特可以表示0、1、2、3四個數之一（二進制1、0為十進制的2，二進制1、1為十進制的3）。我們利用電路的斷開和閉合來表示0和1，然后通過復雜的電路，讓計算機完成復雜的運算。而基于量子力學規律的量子計算機基本存儲單位是量子比特，相對于比特中存儲的信息只能是0或1兩種狀態，由于量子處于疊加態，所以量子比特中存儲的信息可能是1也可能是0，即量子比特存儲的信息可以既是0又是1。因此，一個量子比特可以同時表示1和0兩個數，兩個量子比特可以同時表示0、1、2、3四個數。實際上，量子計算機可以通過冷原子在自身的基態和某一激發態（比基態高出特定能量的狀態）之間的躍遷來表示0和1。而冷原子作為微觀粒子，具有量子的疊加特性，即冷原子既可以處于基態也可以處于激發態。同時，冷原子的運動速度慢，能量低，與熱原子相比有更加明確的能量狀態（熱原子可能處于的能量狀態不只兩種），因此，冷原子是一種很好的量子比特候選材料。

另外，冷原子實驗還可以用來提高原子鐘的精度。目前，我們對時間的定義是由銫原子所釋放的光子頻率決定的，如何確定這個頻率就決定了時間的精確度。科學家們會讓銫原子通過微波腔（微波腔可以發出特定頻率的電磁波，并且研究人員可以調節電磁波的頻率），當微波腔發出的頻率和銫原子的光子頻率相同時，就會產生共振，科學家們就可以確定銫原子的光子頻率。然而，銫原子在常溫下的平均速度約幾百米每秒，通過微波腔的時間非常短，極大地限制了確定頻率的穩定度。而太空中的冷原子運動速度被極大地降低了，通過微波腔的時間長了，精度自然也就提高了。原子鐘的精度原先誤差為1秒/300萬年，冷原子鐘的精度可以提高到1秒/3億年，提高了2個數量級。

任何一個物理現象的背后都有著深遠的現實意義，關鍵在于我們能否及時發現并應用。太空冷原子實驗以及玻色-愛因斯坦凝聚態的研究必定會對物理學產生深遠的影響，促進科學技術的進步。