宇宙中最冷的實(shí)驗(yàn)

鄔裔

你能想到的最冷的地方在哪里？

在冬季，南極洲的溫度低至零下85℃;在月球的陰暗面，溫度可達(dá)到零下173℃;自然界中已知最冷的物質(zhì)是液氦，它的溫度是零下269℃。

不過宇宙中有這樣一個(gè)地方，它的溫度比液氮還要冷得多，只比絕對零度（理論預(yù)言的物質(zhì)能夠達(dá)到的溫度極低限）高十億分之一度，這個(gè)地方就是位于國際空間站的冷原子實(shí)驗(yàn)室。顧名思義，冷原子實(shí)驗(yàn)室就是制造“超冷”原子云的地方。

不過，科學(xué)家們?yōu)槭裁匆谔罩性斐霰冉^對零度高出幾十億分之一度、甚至幾百億分之一度的原子云呢？這還要從最有名的物理學(xué)家愛因斯坦說起。

最冷條件下的新狀態(tài)

1925年，愛因斯坦單獨(dú)發(fā)表了一篇名為《理想氣體的量子統(tǒng)計(jì)》的論文。在這篇論文中，愛因斯坦首次預(yù)言了玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，這是一種原子在極低溫度下所達(dá)到的物質(zhì)狀態(tài)，在固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和等離子態(tài)之后，它被稱為物質(zhì)的第五種狀態(tài)。為什么叫玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)呢？這里有一個(gè)小故事。

通常，在我們的概念中，組成物質(zhì)的粒子都是一個(gè)個(gè)單獨(dú)的個(gè)體，它們都做著各自的不規(guī)則熱運(yùn)動，運(yùn)動的大小和方向各不相同，這些粒子都處于不同的狀態(tài)，也就是說，各個(gè)粒子是可以區(qū)分的。

然而，早在1924年，一位印度的數(shù)學(xué)物理學(xué)家玻色在研究光子統(tǒng)計(jì)的時(shí)候，就提出了一個(gè)想法，微觀粒子存在彼此不可區(qū)分的情況，在得出這個(gè)想法之后，玻色馬上寫了一篇相關(guān)的論文。不過，由于當(dāng)時(shí)的玻色是一個(gè)連博士學(xué)位都沒有的無名科學(xué)家，沒有期刊愿意登出他的論文。于是，玻色一氣之下，直接把論文寄給了愛因斯坦。愛因斯坦看到玻色的論文非常激動，親自將玻色的論文翻譯成德語，并發(fā)表在德國的雜志上。后來，愛因斯坦在玻色理論的基礎(chǔ)上提出了玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的現(xiàn)象。人們?yōu)榱思o(jì)念兩人對這種新狀態(tài)的預(yù)言，便稱它為玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。

講了半天這個(gè)玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，它到底是怎么回事呢？

微觀世界的粒子具有波粒二象性，也就是說，微觀粒子不僅可以用粒子的術(shù)語來描述，還可以用波的術(shù)語來描述。以原子為例，原子既可以看成一個(gè)粒子，也可以看成是一個(gè)波。粒子運(yùn)動的特性可以用動量（粒子質(zhì)量和速度的乘積）來描述，粒子波動的特性可以用波長來描述，而動量和波長呈反比，即粒子的運(yùn)動速度越慢，波長越長。同時(shí)，物質(zhì)的溫度來自于本身的熱運(yùn)動，如果粒子運(yùn)動速度降低，溫度自然就變低了。

一般情況下，原子和原子之間的距離都特別大，它們的動量也比較大。但隨著原子運(yùn)動速度越來越慢，即原子的溫度越來越冷，原子就開始慢慢展現(xiàn)出自己波動的性質(zhì)。我們可以把原子波長變長形象地比喻成原子變得越來越胖。當(dāng)原子本身波長接近或者超過原子之間的距離之時(shí)，原子之間就開始“碰到”了，繼續(xù)冷下去就變成了你中有我、我中有你，所有的原子就變成了一個(gè)整體，擁有一樣的狀態(tài)，即玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。處于這個(gè)狀態(tài)的原子會有一些奇特的性質(zhì)，而這些性質(zhì)可以為我們研究原子或其他的物理現(xiàn)象提供一個(gè)新視角。

生產(chǎn)冷原子的“小盒子”

2018年5月21號，美國國家航空航天局（NASA）將一個(gè)差不多抽屜大小的小型設(shè)備——冷原子實(shí)驗(yàn)室（CAL）發(fā)往國際空間站（由16個(gè)國家共同參與管理），在發(fā)送成功后的7個(gè)月里，科學(xué)家們每天都通過遠(yuǎn)程操控的方式，生產(chǎn)著超冷原子，并觀測著超冷原子的行為。該冷原子實(shí)驗(yàn)室由激光器、真空室和一把電磁“刀”組成，它利用了激光冷卻和蒸發(fā)冷卻兩種技術(shù)。

接下來，我們分別了解一下這兩種技術(shù)。

如果一個(gè)粒子朝我們飛來，我們該如何讓它停下來？答案自然是對著粒子運(yùn)動的方向施加一個(gè)力，讓它減速。類似地，激光中的光子具有一定的動量，方向?yàn)楣鈧鞑サ姆较?，如果光子和原子（粒子）發(fā)生碰撞，也會產(chǎn)生一個(gè)力，讓原子減速。由于原子的熱運(yùn)動是不規(guī)則的，我們不知道它具體的運(yùn)動方向，因此，就需要用激光在各個(gè)方向上讓原子減速，來降低它的溫度。這就是激光冷卻技術(shù)的原理。

雖然激光冷卻技術(shù)可以將原子溫度降到極低，但這個(gè)溫度還不足以讓原子達(dá)到玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。原子的進(jìn)一步冷卻就需要用到蒸發(fā)冷卻技術(shù)，這個(gè)技術(shù)的基本原理類似于一杯熱水的冷卻。在人們喝水的時(shí)候，如果水太燙了，人就要吹一吹，讓水變涼。由于分子在不停的運(yùn)動，水的表面有一些速度大的分子（即能量高、比較熱的分子）會脫離液態(tài)水分子集團(tuán)，跑到空氣中，這部分水分子變成了水蒸氣，將水表面比較熱的水蒸氣分子吹跑，水杯中的水就涼下來了。類似地，蒸發(fā)冷卻就是將原子云中比較熱的原子移走（這部分原子能量較高，本身就容易逃離原子云），整個(gè)原子云的溫度就會下降了。

實(shí)際上，利用這兩種技術(shù)，地球上的實(shí)驗(yàn)室也可以產(chǎn)生超冷原子。但是在地面上，重力會作用于冷卻的原子云，使它們迅速下落，原子云馬上又熱起來了。在這期間，科學(xué)家們能夠觀察玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)原子云的時(shí)間只有幾分之一秒。雖然磁場可以用來“捕獲”原子云并使其保持靜止，但是這樣就觀測不到凝聚態(tài)原子的自然運(yùn)動行為了。因此，科學(xué)家們想在太空中生產(chǎn)冷原子，因?yàn)樵谔盏奈⒅亓ο?，冷原子云漂浮的時(shí)間要長得多，科學(xué)家們可以對凝聚態(tài)原子的行為有更深入的了解。

不過，一個(gè)能夠送到太空中的冷原子實(shí)驗(yàn)室并不容易制作。通常，地球上的冷原子設(shè)備非常龐大，能占據(jù)一整間實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)一些開關(guān)都暴露在外面，以便科學(xué)家們隨時(shí)調(diào)整設(shè)備。首先，送往太空的最冷實(shí)驗(yàn)室體積要小;其次，科學(xué)家們只能在地球?qū)λM(jìn)行遠(yuǎn)程操作。實(shí)際上，科學(xué)家和工程師們在2012年就開始制作這個(gè)太空冷原子實(shí)驗(yàn)室了，但直到2018年，它才成功地被送到太空中。

改造未來的新材料

自玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)被觀測到以來，冷原子實(shí)驗(yàn)就備受關(guān)注，原因在于冷原子實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可能會導(dǎo)致許多技術(shù)的發(fā)展，比如傳感器、原子鐘、干涉儀和量子計(jì)算機(jī)等。

以量子計(jì)算機(jī)為例，量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)需要利用到量子效應(yīng)。經(jīng)典計(jì)算機(jī)中一比特只能處于1或0的兩種二進(jìn)制狀態(tài)之一，那么，兩個(gè)比特可以表示0、1、2、3四個(gè)數(shù)之一（二進(jìn)制1、0為十進(jìn)制的2，二進(jìn)制1、1為十進(jìn)制的3）。我們利用電路的斷開和閉合來表示0和1，然后通過復(fù)雜的電路，讓計(jì)算機(jī)完成復(fù)雜的運(yùn)算。而基于量子力學(xué)規(guī)律的量子計(jì)算機(jī)基本存儲單位是量子比特，相對于比特中存儲的信息只能是0或1兩種狀態(tài)，由于量子處于疊加態(tài)，所以量子比特中存儲的信息可能是1也可能是0，即量子比特存儲的信息可以既是0又是1。因此，一個(gè)量子比特可以同時(shí)表示1和0兩個(gè)數(shù)，兩個(gè)量子比特可以同時(shí)表示0、1、2、3四個(gè)數(shù)。實(shí)際上，量子計(jì)算機(jī)可以通過冷原子在自身的基態(tài)和某一激發(fā)態(tài)（比基態(tài)高出特定能量的狀態(tài)）之間的躍遷來表示0和1。而冷原子作為微觀粒子，具有量子的疊加特性，即冷原子既可以處于基態(tài)也可以處于激發(fā)態(tài)。同時(shí)，冷原子的運(yùn)動速度慢，能量低，與熱原子相比有更加明確的能量狀態(tài)（熱原子可能處于的能量狀態(tài)不只兩種），因此，冷原子是一種很好的量子比特候選材料。

另外，冷原子實(shí)驗(yàn)還可以用來提高原子鐘的精度。目前，我們對時(shí)間的定義是由銫原子所釋放的光子頻率決定的，如何確定這個(gè)頻率就決定了時(shí)間的精確度?？茖W(xué)家們會讓銫原子通過微波腔（微波腔可以發(fā)出特定頻率的電磁波，并且研究人員可以調(diào)節(jié)電磁波的頻率），當(dāng)微波腔發(fā)出的頻率和銫原子的光子頻率相同時(shí)，就會產(chǎn)生共振，科學(xué)家們就可以確定銫原子的光子頻率。然而，銫原子在常溫下的平均速度約幾百米每秒，通過微波腔的時(shí)間非常短，極大地限制了確定頻率的穩(wěn)定度。而太空中的冷原子運(yùn)動速度被極大地降低了，通過微波腔的時(shí)間長了，精度自然也就提高了。原子鐘的精度原先誤差為1秒/300萬年，冷原子鐘的精度可以提高到1秒/3億年，提高了2個(gè)數(shù)量級。

任何一個(gè)物理現(xiàn)象的背后都有著深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義，關(guān)鍵在于我們能否及時(shí)發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用。太空冷原子實(shí)驗(yàn)以及玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的研究必定會對物理學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。