國(guó)際空間站的冷原子實(shí)驗(yàn)室

沈羨云

空曠的太空極度寒冷，但現(xiàn)在“寒冷之最”的桂冠已經(jīng)讓位于國(guó)際空間站。利用美國(guó)國(guó)家航空航天局的冷原子實(shí)驗(yàn)室，科學(xué)家們計(jì)劃在空間站上創(chuàng)造出溫度接近絕對(duì)零度（相當(dāng)于-273.15℃）的超低溫環(huán)境，從而可以在這樣的特殊環(huán)境下開(kāi)展量子力學(xué)方面的研究工作。

為什么冷原子實(shí)驗(yàn)室要上天

2018年5月21日，在美國(guó)國(guó)家航空航天局沃洛普斯飛行基地，安塔瑞斯火箭載著“天鵝座”飛船發(fā)射升空。這次任務(wù)中最引人注目的是冷原子實(shí)驗(yàn)室，冷原子實(shí)驗(yàn)室是物理研究設(shè)備，它是由美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家設(shè)計(jì)制造的，價(jià)值7000萬(wàn)美元，尺寸如家用冰箱大小?？茖W(xué)家將該設(shè)備運(yùn)上空間站，旨在將該實(shí)驗(yàn)室置于微重力環(huán)境中，利用激光和磁力讓“原子云”冷卻到接近絕對(duì)零度的超冷溫度，形成“超流體”物質(zhì)狀態(tài)，即玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體（BEC），從而對(duì)移動(dòng)非常緩慢的“原子”進(jìn)行觀察?？茖W(xué)家預(yù)計(jì)，“原子云”將在“超流體”狀態(tài)下呈現(xiàn)出“神秘的波形”，表現(xiàn)出許多令物理學(xué)家感興趣的量子特征，這將導(dǎo)致有趣的新量子現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。

地球上也有冷原子實(shí)驗(yàn)室，也可以“制造”出BEC來(lái)，為什么要費(fèi)這樣大的力將它搬上太空呢？這是因?yàn)橐粋€(gè)多世紀(jì)以來(lái)，觀測(cè)原子是物理學(xué)的一項(xiàng)重大難題。由于地球引力的作用，原子運(yùn)行速度無(wú)法被放慢，自由進(jìn)化的原子速度無(wú)法讓物理學(xué)家們細(xì)致地觀察它們，因此科學(xué)家?guī)缀鯖](méi)有機(jī)會(huì)來(lái)研究它們的量子特性。國(guó)際空間站沒(méi)有重力的干擾，是開(kāi)展此類實(shí)驗(yàn)的理想場(chǎng)所。

物質(zhì)第五態(tài)—玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)（BEC）

目前物質(zhì)存在的形態(tài)總共有6種，分別是氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、等離子態(tài)、玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)和費(fèi)米子凝聚態(tài)。費(fèi)米子凝聚態(tài)與玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)都是物質(zhì)在量子狀態(tài)下的形態(tài)。

BEC是怎樣產(chǎn)生的呢？如果我們讓物質(zhì)不斷冷下去，一直冷到不能再冷下去，比如說(shuō)，接近絕對(duì)零度，在這樣的極低溫下，奇跡出現(xiàn)了：所有的原子似乎都變成了同一個(gè)原子，再也分不出彼此了！這就是物質(zhì)的第五態(tài)—玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)。

說(shuō)起B(yǎng)EC，還有一段故事：1924年，年輕的印度物理學(xué)家玻色提出了一種新的統(tǒng)計(jì)理論，它與傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)理論僅在一條基本假定上不同。在傳統(tǒng)理論中，人們假定一個(gè)體系中所有的原子或分子都是可以被辨別的，我們可以給一個(gè)原子取名張三，另一個(gè)取名李四……，并且不會(huì)將張三認(rèn)成李四，也不會(huì)將李四誤認(rèn)成張三。玻色卻挑戰(zhàn)了上面的假定，認(rèn)為在原子尺度上，我們根本不可能區(qū)分兩個(gè)同類原子（如兩個(gè)氧原子）有什么不同。接著，玻色討論了如下一個(gè)問(wèn)題 ：將N個(gè)相同的小球放進(jìn)M個(gè)標(biāo)號(hào)為1，2……M的箱子中，假定箱子的容積足夠大，有多少種不同的放法？在此問(wèn)題的基礎(chǔ)上，采用與傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)相似的作法，玻色便得到了一套新的統(tǒng)計(jì)理論。但玻色的論文遭到退稿，他隨后將論文寄給愛(ài)因斯坦。愛(ài)因斯坦意識(shí)到玻色工作的重要性，立即著手研究這一問(wèn)題。他將玻色的理論用于原子氣體中，進(jìn)而推測(cè)，在正常溫度下，原子可以處于任何一個(gè)能級(jí)（能級(jí)是指原子的能量像臺(tái)階一樣從低到高排列），但在非常低的溫度下，大部分原子會(huì)突然跌落到最低的能級(jí)上，就好像一座突然坍塌的大樓一樣。處于這種狀態(tài)的大量原子的行為像單個(gè)粒子一樣，具有完全相同的物理性質(zhì)。后來(lái)物理學(xué)界將物質(zhì)的這一狀態(tài)稱為玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)，它表示原來(lái)不同狀態(tài)的原子突然“凝聚”到同一狀態(tài)。打個(gè)比方，練兵場(chǎng)上的士兵剛解散不久，突然指揮官發(fā)令“向東齊步走”，于是所有的士兵像一個(gè)士兵一樣整齊地向東走去。如果將士兵縮小到原子尺度，以至于分辨不出誰(shuí)是誰(shuí)，我們便看到了BEC。

值得注意的是，這里的“凝聚”與日常生活中的凝聚不同，它表示原來(lái)處于不同狀態(tài)的原子突然“凝聚”到同一狀態(tài)（一般是基態(tài)）。形象地說(shuō)，這就像讓無(wú)數(shù)原子“齊聲歌唱”，其行為就好像一個(gè)玻色子的放大。愛(ài)因斯坦和玻色在20世紀(jì)初就預(yù)言：將兩個(gè)BEC物質(zhì)疊加，它們并不會(huì)表現(xiàn)為類似普通氣體的相互混合的特征，而是表現(xiàn)出波的特征—兩者會(huì)發(fā)生干涉，于是兩個(gè)原子結(jié)合之后沒(méi)有產(chǎn)生任何原子，就像兩個(gè)波，波峰和波谷相遇疊加之后整個(gè)波消失一樣。

玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體的實(shí)現(xiàn)

國(guó)際空間站冷原子實(shí)驗(yàn)室的第一個(gè)任務(wù)就是創(chuàng)造更低溫環(huán)境來(lái)制造BEC，然而實(shí)現(xiàn)BEC的條件是極為苛刻和“矛盾”的：一方面需要達(dá)到極低的溫度，另一方面還要求原子體系處于氣態(tài)。實(shí)現(xiàn)低溫的傳統(tǒng)手段是蒸發(fā)制冷；朱棣文、塔諾季、菲利普斯發(fā)展的激光冷卻和磁阱技術(shù)，成為另一種有效的制冷方法，他們3人因此分享了1997年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1976年，科學(xué)家證明，在任意低溫下處于自旋極化的氫原子始終能保持氣態(tài)，則為實(shí)現(xiàn)第二個(gè)要求提供了希望。遺憾的是，眾多的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家將自旋極化的氫原子氣體降溫，并未觀察到BEC現(xiàn)象。于是美國(guó)科學(xué)家維曼和康奈爾開(kāi)始將興趣轉(zhuǎn)向堿金屬原子氣體，1995年，他們將銣原子限制在磁阱中進(jìn)行激光冷卻，首次成功地觀察到原子氣的BEC現(xiàn)象。同年，德國(guó)科學(xué)家克特勒也在鈉原子氣中實(shí)現(xiàn)了BEC。BEC的實(shí)現(xiàn)不僅在基礎(chǔ)研究方面具有重大意義，還可能在“原子芯片”和量子計(jì)算機(jī)等方面有廣泛的應(yīng)用前景。因此，2001年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了維曼、康奈爾和克特勒，以表彰他們?cè)贐EC實(shí)驗(yàn)方面的開(kāi)創(chuàng)性工作。

國(guó)際空間站可謂“寸土寸金”，所以工程師不得不壓縮原子物理設(shè)備的大小，將填滿一個(gè)大房間的設(shè)施壓縮到一個(gè)冷藏箱大小的箱子內(nèi)。該設(shè)備利用激光來(lái)冷卻銣原子和鉀原子，使它們幾乎停滯不動(dòng)；然后，用磁場(chǎng)捕捉原子云；最后，科學(xué)家將使用其他冷卻技術(shù)—包括無(wú)線電波“刀”來(lái)剝離能量最高的原子等，將原子云冷卻到更接近絕對(duì)零度的溫度，從而創(chuàng)造出BEC。

此外，工程師還必須設(shè)計(jì)屏蔽層，以保護(hù)脆弱的BEC免受密集組件和不斷變化的地球磁場(chǎng)的干擾。而且，實(shí)驗(yàn)只有在國(guó)際空間站上的成員睡覺(jué)之后才運(yùn)行，以盡量減少任何活動(dòng)可能造成的干擾。

物理學(xué)家們還有一個(gè)“小目標(biāo)”，那就是發(fā)射一顆專用的實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星來(lái)實(shí)現(xiàn)太空中冷原子實(shí)驗(yàn)。目前，空間站雖然提供了失重環(huán)境，但內(nèi)部充斥著諸如泵和其他機(jī)械的震動(dòng)噪聲，一個(gè)更安靜的衛(wèi)星環(huán)境或許能讓冷原子實(shí)驗(yàn)達(dá)到更高的精確度和靈敏度。不過(guò)，無(wú)論之后的計(jì)劃多么宏大，一切的基礎(chǔ)是科學(xué)家必須先學(xué)會(huì)如何在太空中進(jìn)行原子物理研究，這也是國(guó)際空間站冷原子實(shí)驗(yàn)室建立的真正目的。