去太空给原子“降温”！空间超冷原子物理实验

出品：科普中国

作者：中国科普博览

监制：中国科普博览

编者按：为拓展认知边界，科普中国前沿科技项目推出“未知之境”系列文章，纵览深空、深地、深海等领域突破极限的探索成果。让我们一起走进科学发现之旅，认识令人惊叹的世界。

想象一下，如果我们能够给原子“降温”，让它们变得几乎静止不动，那将会是一幅怎样的景象呢？

今天，就让我们一同踏上这场去太空给原子降温的科普之旅，探索空间超冷原子物理实验的奥秘。

温度与原子：微观世界的秘密

在日常生活中，我们总是通过感知温度来判断环境的冷暖。然而，在微观世界里，温度却与原子的运动状态息息相关。原子，作为构成物质的基本单位，它们无时无刻不在运动。温度，实际上是一个统计概念，它反映了原子运动的能量，包括运动速度和势能。温度越低，原子的运动越慢，我们就越能长时间地观察它们，从而更准确地测量它们的物理量。

原子

（图片来源：veer图库）

原子的温度，实际上是一个统计的概念，它是反应原子运动的一个能量，包括运动速度和势能。在这个概念下进行一个统计意义的换算，也就是温度越低、运动越慢、观察原子的时间也就越长，我们后续来测物理量也就越准确。

激光“冷却”原子：科学家的魔法

原子是粒子，当温度达到绝对零度附近，原子几乎不再运动，此时原子的波动性慢慢显现出来。简单来说，原子的运动速度和它的波长成反比，当原子的运动速度极小时，它的波长就扩大，达到数个原子半径的量级，而当一小团原子都笼罩在这个波长范围内时，原子的行为就发生了根本的改变——它们处于一种新的凝聚态，不分彼此，仿佛如同一个巨大的原子一般统一行动，而不是各自为战。这让我们可以从原子团这种宏观的尺度下研究单个原子量级的量子效应。

要想使得原子速度降低，最为先进的方法是采用激光“冷却”原子。首先用激光光子轰击原子以降低其运动速度，然后再用磁场约束原子的运动范围，在少量运动速度快的原子离开了约束范围后，剩下原子的平均运动速度又进一步降低，于是就得到了“超冷原子”。

这就像我们用手轻轻拍打一个飞速旋转的陀螺，陀螺的旋转速度会逐渐减慢一样。然后，科学家们再用磁场将原子约束在一个小范围内，让它们的运动更加有序。经过这样的处理后，原子们就像被施了魔法一样，变得异常冷静，这就是“超冷原子”。

原子密度达到一定程度时，发生了我们常见的除气态、液态、固态外的另外一种变化——玻色-爱因斯坦凝聚态，它是人造的“第五态”，而在这个状态下，我们可以观察很多的物理现象，比如可以观察原子内部的很微观的物理量。

微重力环境下的奇迹

然而，在地面上，重力常常会成为科学家们实现超冷原子的障碍。重力会破坏原子势阱，限制原子温度的继续降低。为了突破这一限制，科学家们决定将实验搬到太空去。在太空微重力环境下，重力的影响降低了约5个量级，这使得科学家们无需再补偿重力势，可以更容易地实现极低的原子温度。

于是，一台专门用于空间超冷原子物理实验的装置——超冷原子物理实验柜诞生了。2022年10月31日，空间站梦天实验舱从海南文昌发射场发射升空。超冷原子物理实验柜随梦天舱一起进驻中国空间站，开始了它的奇妙之旅。

超冷原子物理实验柜

（图片来源：中国科学院上海光学精密机械研究所）

在这个实验柜里，科学家们能够观测到许多在地面上无法观察到的物理现象，凝聚态的原子几乎不再运动，也将给人们带来研究原子结构，精细操控原子的可能，继而为量子计算机的研制提供帮助。比如观察原子内部的微观物理量，以及原子在极端条件下的行为变化。原子作为宏观物质组成的基础，它的量子效应将有助于我们探索微观世界和宏观世界的效应边界。

探索未知：迈向量子世界的桥梁

去太空给原子降温，这听起来像是一场科幻电影中的情节，但实际上却是科学家们正在进行的真实实验。这场实验不仅让我们对微观世界有了更深入的认识，也为人类未来的科技发展开辟了新的道路。想象一下，未来的某一天，我们能够利用量子计算机解决现在无法想象的复杂问题，那将是多么令人振奋的事情！