NASA将发射冷原子实验室，造出宇宙最冷之地

美国宇航局冷原子实验室的设备将使用激光和其他技术将原子冷却到接近绝对零度。

照片来源:官方网站，英国杂志《自然》

量子物理学家将很快在太空中拥有自己的“游乐场”。据英国杂志《自然》官方网站8日报道，美国宇航局冷原子实验室将于5月20日发射进入国际空间站。到那时，它将成为宇宙中最冷的地方。研究人员将利用它来探测在地球上无法观察到的量子现象，例如在太空中制造“气泡”、“圆环”和“漩涡”，从而以前所未有的方式“玩”量子力学。

研究人员指出，这可能会促使科学家发现新的物理学，促进前沿物理学的发展。

宇宙中最冷的地方:

量子力学的“天堂”

该实验室由美国宇航局喷气推进实验室(JPL)负责。研究人员表示，冷原子实验室耗资8300万美元，其主要目标是为科学家研究宏观尺度的量子力学，制造一种被称为“玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)”的独特“超流体”物质状态。

BEC是由几十万个原子组成的云。当冷却到接近绝对零度时，成千上万个原子的行为保持同步，就像一个单一的量子物体。飞行任务和喷气推进实验室的项目经理卡迈勒·奥黛丽自豪地说:“能够在太空进行这些实验是一项伟大的成就。”

在地球上，在正常情况下，重力会导致BEC在几秒钟内分崩离析。但是如果它们漂浮在国际空间站上，它们应该能够“存活”至少10秒钟。这段时间足以让它们冷却到创纪录的低温——也许只有绝对零度以上20万亿摄氏度。

奥黛丽说这是宇宙中已知的最冷温度。国家标准和技术研究所(NIST)的原子物理学家格雷琴·坎贝尔说，更冷和“寿命更长”的BEC将“推动前沿基础物理学的研究”。15年来，科学家们一直期待着新的物理学。”

麻雀很小，有所有的五个器官；

工具包大小的实验设备

国际空间站可以被描述为“每一寸土地和每一寸金”，因此工程师们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成一个冰箱大小的盒子。该设备使用激光冷却铷和钾原子，使它们几乎静止不动。然后，磁场被用来捕捉原子云。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。将原子云冷却到接近绝对零度的温度，从而产生BEC。

此外，工程师必须设计屏蔽层来保护脆弱的BEC免受密集成分和不断变化的地球磁场的影响。此外，该实验将只在国际空间站的研究人员睡觉后进行，以尽量减少任何运动可能造成的干扰。

这项技术比最初想象的要简单，因为更复杂的实验室版本存在影响真空室的问题，并可能导致项目延迟，这导致物理学家暂时无法实现他们基于空间的原子干涉测量的最终目标。这个过程将把BEC量子波分成两部分，并重新组合。获得的干涉图将使科学家能够更准确地分析重力的影响，也使他们能够测试BEC能否用作一个极其灵敏的旋转和重力传感器。

然而，任务科学家，JPL的罗伯特·汤普森说，更先进的装备应该在2019年底到达国际空间站。

玩量子力学；

气泡、环和漩涡

汤普森说，尽管设备不足，物理学家仍然可以根据目前的情况找到新的物理学。届时，五个研究小组将使用这个实验室进行实验。其中一个团队计划利用无线电波和磁场让BEC形成大约30微米的气泡。根据量子力学，因为气泡很薄并且没有边缘，所以BEC的行为应该与地球上形成圆盘或球体的行为非常不同。

史密斯学院的理论物理学家考特尼·兰内说，形成一个叫做“漩涡”的漩涡可能更容易。在地球上，当液体下落时，试图产生气泡的过程总是以碗的形状结束。她说:“除非我们能摆脱重力，否则我们根本无法得到这种形状。”

科罗拉多大学的埃里克·康乃尔因其对BEC的共同发现获得了2001年诺贝尔物理学奖。这一次，他的团队将尝试创建一个奇怪的松散耦合系统，称为“Efimov”状态。这种物质形式是以俄罗斯理论物理学家维塔利·埃菲莫夫的名字命名的，他在1970年提出了它的存在。当原子结合力太弱而无法形成“三重态”时，这些量子态会突然“出现”。这种结构类似于著名的拓扑结构波罗门环。乍一看，博罗米尔环是三个环环相扣的环，但仔细看，它们不是:没有两个环是环环相扣的。如果任何一个环断裂，整个结构就会分离。只有保持三个环完整，这些环才能连接在一起。

核物理学家对这种结构非常感兴趣，因为它们类似于罕见的由中子和质子组成的三粒子核，而科学家目前对三粒子核知之甚少。

康奈尔团队希望创造出最简单的艾菲尔莫夫州及其刺激通胀的州。在受激的埃菲莫夫态下，虽然原子之间有细菌大小的间隙，但它们是相互连接的。华盛顿州立大学普尔曼分校的物理学家玛伦·莫斯曼说，科内尔的团队也许能够创造出这样一种由四个原子组成的结构——所谓的四聚体。

自1997年加入JPL以来，汤普森一直致力于创建这样一个空间实验室。他认为目前的实验室是迈向更复杂的空间原子物理实验室的关键一步。美国宇航局正与德国航空航天中心合作建造一个名为玻色-爱因斯坦凝聚和冷原子实验室的设施。

(《科技日报》，北京，5月9日)