国际空间站的冷原子实验室

沈羡云

空旷的太空极度寒冷，但现在“寒冷之最”的桂冠已经让位于国际空间站。利用美国国家航空航天局的冷原子实验室，科学家们计划在空间站上创造出温度接近绝对零度（相当于-273.15℃）的超低温环境，从而可以在这样的特殊环境下开展量子力学方面的研究工作。

为什么冷原子实验室要上天

2018年5月21日，在美国国家航空航天局沃洛普斯飞行基地，安塔瑞斯火箭载着“天鹅座”飞船发射升空。这次任务中最引人注目的是冷原子实验室，冷原子实验室是物理研究设备，它是由美国宇航局喷气推进实验室的科学家设计制造的，价值7000万美元，尺寸如家用冰箱大小。科学家将该设备运上空间站，旨在将该实验室置于微重力环境中，利用激光和磁力让“原子云”冷却到接近绝对零度的超冷温度，形成“超流体”物质状态，即玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC），从而对移动非常缓慢的“原子”进行观察。科学家预计，“原子云”将在“超流体”状态下呈现出“神秘的波形”，表现出许多令物理学家感兴趣的量子特征，这将导致有趣的新量子现象的发现。

地球上也有冷原子实验室，也可以“制造”出BEC来，为什么要费这样大的力将它搬上太空呢？这是因为一个多世纪以来，观测原子是物理学的一项重大难题。由于地球引力的作用，原子运行速度无法被放慢，自由进化的原子速度无法让物理学家们细致地观察它们，因此科学家几乎没有机会来研究它们的量子特性。国际空间站没有重力的干扰，是开展此类实验的理想场所。

物质第五态—玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）

目前物质存在的形态总共有6种，分别是气态、液态、固态、等离子态、玻色-爱因斯坦凝聚态和费米子凝聚态。费米子凝聚态与玻色-爱因斯坦凝聚态都是物质在量子状态下的形态。

BEC是怎样产生的呢？如果我们让物质不断冷下去，一直冷到不能再冷下去，比如说，接近绝对零度，在这样的极低温下，奇迹出现了：所有的原子似乎都变成了同一个原子，再也分不出彼此了！这就是物质的第五态—玻色-爱因斯坦凝聚态。

说起BEC，还有一段故事：1924年，年轻的印度物理学家玻色提出了一种新的统计理论，它与传统的统计理论仅在一条基本假定上不同。在传统理论中，人们假定一个体系中所有的原子或分子都是可以被辨别的，我们可以给一个原子取名张三，另一个取名李四……，并且不会将张三认成李四，也不会将李四误认成张三。玻色却挑战了上面的假定，认为在原子尺度上，我们根本不可能区分两个同类原子（如两个氧原子）有什么不同。接着，玻色讨论了如下一个问题 ：将N个相同的小球放进M个标号为1，2……M的箱子中，假定箱子的容积足够大，有多少种不同的放法？在此问题的基础上，采用与传统统计相似的作法，玻色便得到了一套新的统计理论。但玻色的论文遭到退稿，他随后将论文寄给爱因斯坦。爱因斯坦意识到玻色工作的重要性，立即着手研究这一问题。他将玻色的理论用于原子气体中，进而推测，在正常温度下，原子可以处于任何一个能级（能级是指原子的能量像台阶一样从低到高排列），但在非常低的温度下，大部分原子会突然跌落到最低的能级上，就好像一座突然坍塌的大楼一样。处于这种状态的大量原子的行为像单个粒子一样，具有完全相同的物理性质。后来物理学界将物质的这一状态称为玻色-爱因斯坦凝聚态，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。打个比方，练兵场上的士兵刚解散不久，突然指挥官发令“向东齐步走”，于是所有的士兵像一个士兵一样整齐地向东走去。如果将士兵缩小到原子尺度，以至于分辨不出谁是谁，我们便看到了BEC。

值得注意的是，这里的“凝聚”与日常生活中的凝聚不同，它表示原来处于不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态（一般是基态）。形象地说，这就像让无数原子“齐声歌唱”，其行为就好像一个玻色子的放大。爱因斯坦和玻色在20世纪初就预言：将两个BEC物质叠加，它们并不会表现为类似普通气体的相互混合的特征，而是表现出波的特征—兩者会发生干涉，于是两个原子结合之后没有产生任何原子，就像两个波，波峰和波谷相遇叠加之后整个波消失一样。

玻色-爱因斯坦凝聚体的实现

国际空间站冷原子实验室的第一个任务就是创造更低温环境来制造BEC，然而实现BEC的条件是极为苛刻和“矛盾”的：一方面需要达到极低的温度，另一方面还要求原子体系处于气态。实现低温的传统手段是蒸发制冷；朱棣文、塔诺季、菲利普斯发展的激光冷却和磁阱技术，成为另一种有效的制冷方法，他们3人因此分享了1997年的诺贝尔物理学奖。1976年，科学家证明，在任意低温下处于自旋极化的氢原子始终能保持气态，则为实现第二个要求提供了希望。遗憾的是，众多的实验物理学家将自旋极化的氢原子气体降温，并未观察到BEC现象。于是美国科学家维曼和康奈尔开始将兴趣转向碱金属原子气体，1995年，他们将铷原子限制在磁阱中进行激光冷却，首次成功地观察到原子气的BEC现象。同年，德国科学家克特勒也在钠原子气中实现了BEC。BEC的实现不仅在基础研究方面具有重大意义，还可能在“原子芯片”和量子计算机等方面有广泛的应用前景。因此，2001年诺贝尔物理学奖授予了维曼、康奈尔和克特勒，以表彰他们在BEC实验方面的开创性工作。

国际空间站可谓“寸土寸金”，所以工程师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到一个冷藏箱大小的箱子内。该设备利用激光来冷却铷原子和钾原子，使它们几乎停滞不动；然后，用磁场捕捉原子云；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，将原子云冷却到更接近绝对零度的温度，从而创造出BEC。

此外，工程师还必须设计屏蔽层，以保护脆弱的BEC免受密集组件和不断变化的地球磁场的干扰。而且，实验只有在国际空间站上的成员睡觉之后才运行，以尽量减少任何活动可能造成的干扰。

物理学家们还有一个“小目标”，那就是发射一颗专用的实验卫星来实现太空中冷原子实验。目前，空间站虽然提供了失重环境，但内部充斥着诸如泵和其他机械的震动噪声，一个更安静的卫星环境或许能让冷原子实验达到更高的精确度和灵敏度。不过，无论之后的计划多么宏大，一切的基础是科学家必须先学会如何在太空中进行原子物理研究，这也是国际空间站冷原子实验室建立的真正目的。