“最冷”實驗室將發射量子物理學家將擁有太空“游樂場”

量子物理學家即將在太空擁有自己的“游樂場”。據英國《自然》雜志官網8日消息，美國國家航空航天局（NASA）的冷原子實驗室（Cold Atom Laboratory）將于5月20日發射升空，進入國際空間站。

屆時，它將成為已知宇宙中最冷的地方，研究人員將使用它探測在地球上無法觀察到的量子現象，在太空制造“泡泡”、“環”和“漩渦”等，以前所未有的方式“玩轉”量子力學。

研究人員指出，這有可能促使科學家發現新物理學，推進前沿物理學的發展。

宇宙間最冷之地 量子力學的“樂園”

該實驗室由NASA的噴氣推進實驗室（JPL）負責。研究人員稱，冷原子實驗室耗資8300萬美元，主要目標是通過制造出名為“玻色—愛因斯坦凝聚體（BEC）”的獨特“超流體”物質態，從而供科學家研究宏觀尺度上的量子力學。

BEC是數十萬個原子組成的云，當被冷卻到絕對零度附近時，數十萬個原子的行動保持同步，就像單一的量子物體一樣。該任務項目經理、噴氣推進實驗室的卡姆爾·奧德瑞接受《自然》雜志采訪時自豪地表示：“我認為，能夠在太空進行這些實驗是一項巨大的成就。”

在地球上，一般情況下，重力在幾秒鐘之內就會讓BEC分崩離析。但如果BEC漂浮在國際空間站上，它們應該能“存活”至少10秒鐘。這一時間足夠讓它們被冷卻到創紀錄的低溫——可能只比絕對零度高20萬億分之一攝氏度。

奧德瑞說，這將是宇宙中已知最冷的溫度。美國國家標準與技術研究院（NIST）的原子物理學家格雷琴·坎貝爾說，更冷且更“長壽”的BEC將“推動前沿基礎物理領域的研究，15年來，科學家一直期盼會產生新物理學。” 

麻雀雖小五臟俱全 壓縮到工具包大小

國際空間站可謂“寸土寸金”之地，所以聰敏如NASA的工程師不得不縮減原子物理設備的大小，將填滿一個大房間的設施“壓縮”到一個冷藏箱大小的箱子內。

所謂“濃縮的都是精華”，該冷原子實驗室擁有激光器、真空室和一把無線電波“刀”。首先，激光會冷卻銣和鉀原子，使它們幾乎停滯不動；然后，磁場捕捉原子云；使用其他冷卻技術——包括無線電波“刀”來剝離能量最高的原子等，將原子云冷卻到更接近絕對零度的溫度，從而創造出BEC。

NASA冷原子實驗室內，激光器和其他技術將原子冷卻到絕對零度附近。來源：英國《自然》雜志官網

此外，工程師還必須設計屏蔽層，以保護脆弱的BEC免受密集組件和不斷變化的地球磁場的干擾。而且，實驗只有在國際空間站上的科研人員睡覺之后才運行，以盡量減少任何運動可能造成的干擾。

研究人員稱，目前的設備比最初設想的要簡單——因為更復雜的實驗室版本出現了一個問題，影響了真空室并導致項目可能延期，這就使得物理學家暫時無法實現他們的最終目標：在太空進行原子干涉測量——將BEC的量子波分成兩部分并重新組合，得到的干涉圖案讓科學家可以以更精確的精度分析重力產生的影響；以及測試BEC是否可用作高度靈敏的旋轉和重力傳感器。

不過，該任務科學家、JPL的羅伯特·湯普森說，更高級的套件應該會在2019年底到達國際空間站。

玩轉量子力學 氣泡、環和漩渦

湯普森說，盡管裝備不足，但物理學家仍然可因陋就簡，就目前的情況發現新物理學。屆時，五支研究團隊將使用這一實驗室進行實驗。

冷原子實驗室被用于研究處于國際空間站得微重力環境下的超冷的量子流體。來源：英國《自然》雜志官網

湯普森介紹說，一支團隊計劃使用無線電波和磁場讓BEC形成約30微米的氣泡形。量子力學指出，因為氣泡既纖薄又沒有邊緣，BEC的行為應與地球上形成圓盤或球體時的行為迥然不同。史密斯學院理論物理學家科特尼蘭·內特解釋稱，例如，它可能更容易形成名為“渦流”的旋渦。在地球上，當流體下落時，試圖產生氣泡的過程總是以碗形狀結束。她說：“除非我們能擺脫重力，否則我們根本無法獲得這種形狀。”

2001年，科羅拉多大學的埃里克·康奈爾與他人共同發現BECs而榮膺諾貝爾物理學獎，此次，他領導的團隊將嘗試創造出被稱為“埃菲莫夫”（Efimov）態的奇異的松散結合系統。

這一物質形態以1970年提出其存在的俄羅斯理論物理學家維塔利·埃菲莫夫的名字命名，在原子結合太弱而不能成對結合，而能形成“三人組”的情況下，這些量子態會突然“現身”。這一結構與著名的拓撲結構博羅米爾（Borromean）環類似。乍看上去，博羅米爾環是三個互鎖的環，但細看則不然：沒有兩個環是互鎖的。如果打斷任一個環，整個結構就分開了，只有所有的三個環都保持，這些環才能結合在一起。

核物理學家對這一結構非常感興趣，因為它們與由中子和質子構成的罕見的三粒子核類似，而科學家目前對三粒子核知之甚少。

康奈爾團隊希望創造最簡單的埃菲莫夫態，以及受激發的版本。華盛頓州立大學鉑爾曼分校的物理學家瑪倫·莫斯曼說，康奈爾團隊也許能制造出由四個原子組成的此類結構——所謂的四聚體（tetramer）。

自1997年加入JPL，湯普森一直致力于創建這樣的太空實驗室。他認為，目前的實驗室是向更復雜的太空原子物理實驗室邁出的關鍵一步。他說，NASN正與德國航空航天中心（DLR）攜手建造一個名為BECCAL（玻色-愛因斯坦冷凝體和冷原子實驗室）的設施。