最冷科学将入太空

科学家将冷却原子云以产生玻色-爱因斯坦凝聚。资料来源:斯科特·克拉克

原子物理学家总是喜欢呆在“小黑屋”里埋头研究。1990年，当埃里克·科内尔与卡尔·维曼在美国实验天体物理联合研究所(JILA)开始博士后研究时，为了用自制的激光诱导新的原子态——玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)，他们强行将二楼的实验室改造成了一个黑暗的“地下室”。

"我们过去有可以俯瞰群山的漂亮窗户。"康奈尔说，“但是我们买了3英寸的聚苯乙烯泡沫，把它切成方块，粘在玻璃上。”

BEC也被称为“物质的第五种状态”。这种物质状态的特点是不同状态的原子会突然“凝聚”成相同的状态(通常是基态)。

康奈尔和威曼试图将铷气体冷却到比自然界任何地方都冷的温度——绝对零度的十亿分之一。由于长期以来理论预测的BEC的成功验证，康乃尔和威曼获得了2001年诺贝尔物理学奖。

现在，像康奈尔这样的物理学家将带着他们的原子束离开“小黑屋”，前往宇宙:2018年，美国宇航局将向国际空间站发射冷原子实验室。

一旦进入轨道，全自动设备平台将创造BEC并进行其他冷原子实验，利用失重的优势达到创纪录的低温，并在量子力学和重力研究方面取得飞跃。

在这里，小型化是关键:整个实验过去需要一个房间来放置激光器、光学元件和真空系统。现在，这些装置被装进一个实验装置，有冰箱那么大。物理学家将轮流进行远程实验，就像研究人员使用太空望远镜一样。

“我已经在BEC工作了20年，现在我想从事太空研究，这似乎很疯狂。”美国宇航局喷气推进实验室(JPL)的物理学家、加州大学项目科学家罗伯特·汤普森说。

科学家计划在太空进行原子物理实验的一个原因是失重。弗吉尼亚夏洛茨维尔大学的物理学家和CAL实验者查尔斯·萨克特说:“在太空中进行原子物理学的最大原因是摆脱重力的束缚。”

脱离重力

然而，这里有一个问题:为了在地球上创造BEC态，物理学家通常使用激光来捕获和冷却原子，导致原子的速度从“千米/秒”下降到“厘米/秒”，比走路慢。然而，当他们想要测量BEC态时，他们需要从势阱中释放出BEC态的原子，并用激光照射它，以获得能够反映原子分布的阴影。

在地面上，当处于BEC状态的原子被释放时，重力将作用于原子，导致原子最终与真空室的底部碰撞。在释放到碰撞的过程中，物理学家只有10~20毫秒来测量。然而，一旦处于无重力轨道环境中，从释放到通过残余气体加热真空室，BEC状态可保持约10秒。研究人员有足够的时间进行地面无法完成的测量。

不仅如此，原子在太空中也能达到较低的温度。制造BEC态的最后一步是减少束缚原子的磁场，削弱强度并扩大势阱的范围，从而使原子气体膨胀并冷却。当这一步骤在轨道环境中进行时，物理学家可以获得一个比地面上的势阱强度更弱、范围更大的势阱，前提是原子不会从势阱中逃逸，这样就可以获得更低的温度。更低的温度可能会带来一些微妙的新量子效应。

当然，这种失重也可以在地面上模拟。自2007年以来，德国不来梅空间技术和微重力中心(QUANTUS)的一个多国小组已经允许原子在失重状态下下落近5秒钟。戈特弗里德·威廉·莱布尼茨大学的物理学家、QUANTUS的负责人恩斯特·拉塞尔(Ernst Rasel)说，目前地面测试能达到的最低温度是50pK。

今年早些时候，QUANTUS在瑞典基律纳发射了一枚装有实验装置的探空火箭。火箭在离地面240多公里的高度发射，在飞行过程中提供了6分钟的*落体。在此期间，全自动装置共进行了85次不同的实验，包括第一次在空间产生BEC状态的实验。

但是在国际空间站上，CAL将被给予一年或更长的时间来做更多的研究。首先，加州大学的物理学家的目标是达到可能的最低温度，研究人员相信他们可以降到100pK或更低。虽然不可能达到量子获得的最低温度，但是量子一天只能进行3次实验，而CAL可以连续进行实验。

在另一项实验中，贝茨学院的物理学家内森·伦德布莱德和他的同事希望能制造出BEC中空的贝壳。在地球上，重力可以压碎这些外壳。这些贝壳使研究人员能够以一种新的方式探测BEC的波动特性。

Efimov效应

CAL团队的第二项任务是探索量子力学中的Efimov效应。Efimov效应使得一些原子能够形成弱束缚的三原子分子，即使这两个原子之间没有明显的相互作用。这个分子中原子之间的关系就像波罗米安环——三个环交织在一起，一个被去掉，另两个分开。

为了获得这样的三原子分子，JILA的科内尔、华盛顿大学的彼得·恩格斯和马人·莫斯曼将对超冷原子钾-39施加磁场。在一定的场强下，孤立的原子被诱导形成三原子分子。

这种效应已经在实地观察到，但人们还没有完全验证这一理论。根据理论预测，Efimov态将在持续强的磁场下不断形成、破裂和再形成，分子大小也将增加22.7倍。

康奈尔的团队计划观察细菌大小的第二Efimov状态，即在最初的Efimov状态由于磁场的增加而消失后再次形成的Efimov状态。为此，他们需要把原子气体的密度改变到原来实验的1/1000，但这一要求在地面上很难实现，只能依靠失重。

“如果我们继续在地面上进行实验，我们对学生的研究就会慢下来，甚至毫无进展。”康奈尔补充道。

然而，加州大学的最终目标是进行一项名为原子干涉测量的实验。

最终目标

事实上，原子干涉测量法并不复杂。科学家将使用激光把BEC的量子波分成两组原子。由于量子力学的原理，“分裂”意味着两组原子将同时选择两条路径。如果分离的路径是垂直分离，一条路径将无限远离地球，比其他路径具有更多的重力势能，并且量子波沿着这条路径移动的波速将稍微快一些。最后，当波合并时，由于干扰，它们将在BEC产生波纹密度分布。

如果足够精确，轨道原子干涉技术有望实现更多的科学应用。例如，它将比目前依赖激光陀螺仪的设备更精确，因此它可以用于航天器的惯性导航系统。

此外，通过测试重力对两种不同类型原子的BEC的影响，原子干涉技术可以验证所有物体的共同原理，即所有物体在重力作用下具有相同的加速度。

这个“等效原理”现在已经成为爱因斯坦广义相对论的基石，物理学家仍然热衷于用尽可能多的方法来验证它。

然而，由于设备问题，加州大学不能立即进行这项实验。为了打造BEC，开发者选择了酷量子制造的系统。该系统的核心是一个黄油棒大小的真空室。在反应室的一端，有一个帮助捕获和冷却原子的微芯片。然而，汤普森说，芯片现在在原始设备和备用设备上都有泄漏问题。为了继续这个项目，研究人员转向了一个更简单的设计，没有原子干涉所需的小镜子，仍然让冷量子制造它。

未来，他们将计划推出原子干涉仪升级套件来解决当前的问题。"我非常清楚这个问题可以完全解决。"酷量子首席执行官兼联合创始人达纳·安德森说。

CAL项目只是冷原子空间实验的开始。CAL和QUANTUS还计划联合执行一项名为BECAL的空间站任务，预计将于2020年或2021年发射，重点是原子干涉测量。

这种合作也可以展示不同团队的技术方法。为了在5年内集成CAL，美国宇航局依靠商业和现成的技术。贝卡尔的合作项目预计将把德国团队的技术嵌入JPL的空间站升级包。

最后，物理学家计划发射一颗特殊的实验卫星，对太空中的冷原子进行实验。目前，虽然空间站提供失重状态，但其内部充满了振动噪音，如泵和其他机械。更安静的卫星环境可以使冷原子实验达到更高的精度和灵敏度。

然而，一切的基础是科学家必须首先学会如何在太空中进行原子物理研究，这正是卡尔建立的目的。尽管研究人员不知道未来会发生什么，但正如萨克特所说:“一旦我们能够理解并运行这个系统，我相信我们将会产生一些前所未有的酷创意。”(张张编)