全宇宙中最“冷”的科学实验

你能想到的最冷的地方在哪里？

在冬季，南极洲的温度低至零下85℃；在月球的阴暗面，温度可达到零下173℃；自然界中已知最冷的物质是液氦，它的温度是零下269℃。

不过宇宙中有这样一个地方，它的温度比液氮还要冷得多，只比绝对零度（理论预言的物质能够达到的温度极低限）高十亿分之一度，这个地方就是位于国际空间站的冷原子实验室。顾名思义，冷原子实验室就是制造“超冷”原子云的地方。

不过，科学家们为什么要在太空中造出比绝对零度高出几十亿分之一度、甚至几百亿分之一度的原子云呢？这还要从最有名的物理学家爱因斯坦说起。

最冷条件下的新状态

1925年，爱因斯坦单独发表了一篇名为《理想气体的量子统计》的论文。在这篇论文中，爱因斯坦首次预言了玻色-爱因斯坦凝聚态，这是一种原子在极低温度下所达到的物质状态，在固态、液态、气态和等离子态之后，它被称为物质的第五种状态。为什么叫玻色-爱因斯坦凝聚态呢？这里有一个小故事。

通常，在我们的概念中，组成物质的粒子都是一个个单独的个体，它们都做着各自的不规则热运动，运动的大小和方向各不相同，这些粒子都处于不同的状态，也就是说，各个粒子是可以区分的。

然而，早在1924年，一位印度的数学物理学家玻色在研究光子统计的时候，就提出了一个想法，微观粒子存在彼此不可区分的情况，在得出这个想法之后，玻色马上写了一篇相关的论文。不过，由于当时的玻色是一个连博士学位都没有的无名科学家，没有期刊愿意登出他的论文。于是，玻色一气之下，直接把论文寄给了爱因斯坦。爱因斯坦看到玻色的论文非常激动，亲自将玻色的论文翻译成德语，并发表在德国的杂志上。后来，爱因斯坦在玻色理论的基础上提出了玻色-爱因斯坦凝聚态的现象。人们为了纪念两人对这种新状态的预言，便称它为玻色-爱因斯坦凝聚态。

讲了半天这个玻色-爱因斯坦凝聚态，它到底是怎么回事呢？

微观世界的粒子具有波粒二象性，也就是说，微观粒子不仅可以用粒子的术语来描述，还可以用波的术语来描述。以原子为例，原子既可以看成一个粒子，也可以看成是一个波。粒子运动的特性可以用动量（粒子质量和速度的乘积）来描述，粒子波动的特性可以用波长来描述，而动量和波长呈反比，即粒子的运动速度越慢，波长越长。同时，物质的温度来自于本身的热运动，如果粒子运动速度降低，温度自然就变低了。

一般情况下，原子和原子之间的距离都特别大，它们的动量也比较大。但随着原子运动速度越来越慢，即原子的温度越来越冷，原子就开始慢慢展现出自己波动的性质。我们可以把原子波长变长形象地比喻成原子变得越来越胖。当原子本身波长接近或者超过原子之间的距离之时，原子之间就开始“碰到”了，继续冷下去就变成了你中有我、我中有你，所有的原子就变成了一个整体，拥有一样的状态，即玻色-爱因斯坦凝聚态。处于这个状态的原子会有一些奇特的性质，而这些性质可以为我们研究原子或其他的物理现象提供一个新视角。

生产冷原子的“小盒子”

2018年5月21号，美国国家航空航天局（NASA）将一个差不多抽屉大小的小型设备——冷原子实验室（CAL）发往国际空间站（由16个国家共同参与管理），在发送成功后的7个月里，科学家们每天都通过远程操控的方式，生产着超冷原子，并观测着超冷原子的行为。该冷原子实验室由激光器、真空室和一把电磁“刀”组成,它利用了激光冷却和蒸发冷却两种技术。

接下来，我们分别了解一下这两种技术。

如果一个粒子朝我们飞来，我们该如何让它停下来？答案自然是对着粒子运动的方向施加一个力，让它减速。类似地，激光中的光子具有一定的动量，方向为光传播的方向，如果光子和原子（粒子）发生碰撞，也会产生一个力，让原子减速。由于原子的热运动是不规则的，我们不知道它具体的运动方向，因此，就需要用激光在各个方向上让原子减速，来降低它的温度。这就是激光冷却技术的原理。

虽然激光冷却技术可以将原子温度降到极低，但这个温度还不足以让原子达到玻色-爱因斯坦凝聚态。原子的进一步冷却就需要用到蒸发冷却技术，这个技术的基本原理类似于一杯热水的冷却。在人们喝水的时候，如果水太烫了，人就要吹一吹，让水变凉。由于分子在不停的运动，水的表面有一些速度大的分子（即能量高、比较热的分子）会脱离液态水分子集团，跑到空气中，这部分水分子变成了水蒸气，将水表面比较热的水蒸气分子吹跑，水杯中的水就凉下来了。类似地，蒸发冷却就是将原子云中比较热的原子移走（这部分原子能量较高，本身就容易逃离原子云），整个原子云的温度就会下降了。

实际上，利用这两种技术，地球上的实验室也可以产生超冷原子。但是在地面上，重力会作用于冷却的原子云，使它们迅速下落，原子云马上又热起来了。在这期间，科学家们能够观察玻色-爱因斯坦凝聚态原子云的时间只有几分之一秒。虽然磁场可以用来“捕获”原子云并使其保持静止，但是这样就观测不到凝聚态原子的自然运动行为了。因此，科学家们想在太空中生产冷原子，因为在太空的微重力下，冷原子云漂浮的时间要长得多，科学家们可以对凝聚态原子的行为有更深入的了解。

不过，一个能够送到太空中的冷原子实验室并不容易制作。通常，地球上的冷原子设备非常庞大，能占据一整间实验室，同时一些开关都暴露在外面，以便科学家们随时调整设备。首先，送往太空的最冷实验室体积要小；其次，科学家们只能在地球对它进行远程操作。实际上，科学家和工程师们在2012年就开始制作这个太空冷原子实验室了，但直到2018年，它才成功地被送到太空中。

改造未来的新材料

自玻色-爱因斯坦凝聚态被观测到以来，冷原子实验就备受关注，原因在于冷原子实验的结果可能会导致许多技术的发展，比如传感器、原子钟、干涉仪和量子计算机等。

以量子计算机为例，量子计算机的实现需要利用到量子效应。经典计算机中一比特只能处于1或0的两种二进制状态之一，那么，两个比特可以表示0、1、2、3四个数之一（二进制1、0为十进制的2，二进制1、1为十进制的3）。我们利用电路的断开和闭合来表示0和1，然后通过复杂的电路，让计算机完成复杂的运算。而基于量子力学规律的量子计算机基本存储单位是量子比特，相对于比特中存储的信息只能是0或1两种状态，由于量子处于叠加态，所以量子比特中存储的信息可能是1也可能是0，即量子比特存储的信息可以既是0又是1。因此，一个量子比特可以同时表示1和0两个数，两个量子比特可以同时表示0、1、2、3四个数。实际上，量子计算机可以通过冷原子在自身的基态和某一激发态（比基态高出特定能量的状态）之间的跃迁来表示0和1。而冷原子作为微观粒子，具有量子的叠加特性，即冷原子既可以处于基态也可以处于激发态。同时，冷原子的运动速度慢，能量低，与热原子相比有更加明确的能量状态（热原子可能处于的能量状态不只两种），因此，冷原子是一种很好的量子比特候选材料。

另外，冷原子实验还可以用来提高原子钟的精度。目前，我们对时间的定义是由铯原子所释放的光子频率决定的，如何确定这个频率就决定了时间的精确度。科学家们会让铯原子通过微波腔（微波腔可以发出特定频率的电磁波，并且研究人员可以调节电磁波的频率），当微波腔发出的频率和铯原子的光子频率相同时，就会产生共振，科学家们就可以确定铯原子的光子频率。然而，铯原子在常温下的平均速度约几百米每秒，通过微波腔的时间非常短，极大地限制了确定频率的稳定度。而太空中的冷原子运动速度被极大地降低了，通过微波腔的时间长了，精度自然也就提高了。原子钟的精度原先误差为1秒/300万年，冷原子钟的精度可以提高到1秒/3亿年，提高了2个数量级。

任何一个物理现象的背后都有着深远的现实意义，关键在于我们能否及时发现并应用。太空冷原子实验以及玻色-爱因斯坦凝聚态的研究必定会对物理学产生深远的影响，促进科学技术的进步。

拓展阅读:如何定义时间？

从物理学的角度，时间就代表了物体有规律的运动，比如：观察四季有规律的变化就有了年的概念，太阳的东升西落就代表了一天的时间概念。目前对时间“秒”的官方定义是铯原子的一个能级跃迁到另一个能级所释放电磁波的9192631770个周期所需的时间。

原子由原子核和电子组成，电子围绕原子核运动。但电子只能在特定的、分立的轨道上运动，这些轨道称为能层，各个轨道上的电子能量是不同的，这些能量值即为能级，能量越高的电子离原子核越远。当电子转换能级时，它们需要发出或吸收光子，光子的能量就等于能级之差。