揭秘7000万美元大包裹,国际空间站

由于成功验证被理论预言已久的玻色-爱因斯坦凝聚态(BECs)，EricCornell与CarlWieman获得了年的诺贝尔物理学奖。

一个有趣的故事是，在年的时候，为了利用自制激光器来诱导出玻色-爱因斯坦凝聚态(BECs)这一原子新物态，他们硬生生地把2楼的实验室改造漆黑的“地下室”。

图丨EricCornell和CarlWieman

而现在，物理学家的实验装置将走出寂寞“小黑屋”奔向奢华的“太空总统套间”：年，NASA的冷原子实验室(ColdAtomLaboratory，CAL)将发射到国际空间站(InternationalSpaceStation)。

那么，科学家打算用这台价值万美元的实验装置创造什么奇迹？毕竟，光是地面上的“小黑屋”就曾惊动过诺贝尔奖。

没有重力下，更持久的凝聚态

冷原子实验室(CAL)可以将气体原子冷却到只比绝对零度高十亿分之一度的极低温度。对这些超冷原子的研究将重塑我们对物质和引力基本性质的了解，CAL所涉及的实验也将为我们揭开暗能量的神秘面纱。

而CAL在太空中的第一个任务就已足够让凝聚态物理学家们沸腾了，那就是创造更低温环境来制造玻色-爱因斯坦凝聚态(BECs)。

图丨NASA的冷原子实验室效果图，具有激光器、真空室和一把电磁“刀”，能将气体原子的能量消除，使其保持在极低温的状态

BECs又称为“物质的第五态”（共有六种物态，其他5个分别为气态、液态、固态、等离子态和费米子凝聚态），遵从量子力学而非经典物理。这种物态的神奇之处就在于原本不同状态的原子会突然“凝聚”到同一状态（一般是基态），其奇特性质在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都有丰富的应用前景。

CAL将冷却原子云至小于绝对零度以上十亿分之一的温度，以此来制造玻色爱因斯坦凝聚态(BECs)，其中的原子行为就像一个单一的量子物质波，可以无阻力的流动。在轨道空间环境下，原子可以无重力的悬停，让物理学家们更多的时间来做实验。

实验装置的大小近似一个冰柜，里面包含了实验所需的激光、磁线圈、泵浦以及真空腔。物理学家将像使用太空望远镜的研究者一样，轮流进行远程实验。

“从BECs开始,我已经投身这个领域20年了，现在要在太空做研究，这看起来着实疯狂”，NASA喷气推进实验室（JPL）的物理学家、冷原子实验室(CAL)项目的科学家RobertThompson说到。

图丨国际空间站

一旦CAL成功进入轨道，全自动的实验装置将开始制造BECs，并进行其他的冷原子实验，而由于失重缘故，新的低温记录也将被创造。

来自弗吉尼亚大学夏洛茨维尔分校的物理学家、CAL的实验者之一的CharlesSackett说到：“在太空中做原子物理的最大原因在于可以摆脱重力的束缚。”

确实，在地面的时候，由于重力的原因，留给科学家们测量BEC态的时间比留给太空中的时间要少得多。

在地球上制造出BEC态，物理学家一般会用激光来捕获并冷却原子，使得原子的速度从“千米/秒”下降到大致比步行还慢的“厘米/秒”量级。

但是，当他们要测量BEC态的时候，需要将BEC态的原子从势阱中释放出来，然后用激光照射其上而得到一个能够反应原子分布的阴影。在地面上，当把BEC态的原子释放时，重力就会作用于原子上，导致原子最终与真空腔底发生碰撞。

势阱

关于什么是势阱，我们可以举个直观但或许不切实际的例子。把冷原子想象成一群掉入深井中的人们，如果井很高那么即便是体能（能量）好的人也难以爬出井，但如果井的高度慢慢变矮，那么就会有一些人活跃起来试图爬出井，即便爬出去的可能性很小。而如果井底的空间慢慢变大，那么本来挤得热不可耐的人们因为空间变大而变得凉快起来。

此例中的井就是所说的由磁场形成的势阱，而控制磁场，就可以调节井的高度与宽度。

在释放到发生碰撞的过程中，研究者仅有10-20毫秒的时间进行测量。

而一旦到了无重力的轨道环境下，这个时间延长了至少倍！

从释放到残余气体加热真空腔的过程中，BEC态能够维持大约10秒的时间，研究者有充足的时间进行地面上无法完成的测量。

不仅如此，在太空中原子还可以达到更低的温度，而更低的温度有可能会带来一些微妙的新量子效应。

那这个更低的温度又是如何实现的？制造BEC态的最后一个步骤是降低束缚原子的磁场，让势阱的强度变弱、范围变宽，使得原子气体膨胀开来从而实现冷却。当在轨道环境下进行此步骤时，研究者可在满足原子不脱离势阱的前提下，得到比地面上强度更弱范围更大的势阱，因此也就能够获得更低的温度。

图丨年EricCornell和CarlWieman发现BECs的试验：用激光（红色箭头）和磁场（蓝色箭头）对铷原子（绿色区域）降温，最终波色-爱因斯坦凝聚体在绿色区域出现

当然，地面上对于失重状态的模拟也在不断进行。目前地面试验能达到的最低温度50pK，该温度由德国应用空间技术和微重力中心的一个多机构小组QUANTUS（这个缩写来源于德语“失重下的量子气体”）实现。

而在空间站的实验中，CAL的物理学家的目标是尽可能达到最低温度，Sackett相信他们可以下降到pK甚至更低的温度。虽然可能无法达到像QUANTUS所获得的最低温度，但是QUANTUS一天之内只能进行三次实验，而CAL却可以持续不断的进行实验。

今年早些时候，QUANTUS的研究人员在瑞典基律纳发射了装载实验装置的探空火箭。火箭被发射距地面多公里的高度，飞行过程提供了6分钟的自由落体过程。这段时间里，全自动装置总共进行了85个不同的实验，其中包括了首次在太空中产生BEC态的实验。

图丨德国不莱梅应用空间技术和微重力中心米的“落塔”

而现在，国际空间站(ISS)将会给冷原子实验室(CAL)提供一年甚至更久的时间，以便科学家们可以做更多的研究。

量子力学中的叶菲莫夫效应

CAL的第二个任务则是为量子力学和重力学带来更多突破。比如说，CAL团队的一些研究者正计划去探查量子力学中神奇的叶菲莫夫效应(Efimoveffect)。

叶菲莫夫效应能使某些原子形成弱束缚三原子分子，哪怕两两原子间没有明显的相互作用，其原子间的关系仍然如同“博罗梅安环”(Borromeanring)——博罗梅安环是一种拓扑性质的有趣之物，其最大的特点就是三环缠绕，去除其一，剩余二者当土崩瓦解。

图丨博罗梅安环

为了得到这样的三原子分子，JILA的Cornell、PeterEngels同华盛顿大学的MarenMossman将对超冷原子钾-39加磁场，在某个特定的场强下，诱导孤立的原子形成三原子分子(Efimov态)。

这一效应已经在地面上已经被观察到，但我们并没有完全验证这一理论。按照理论预言，Efimov态在持续变强的磁场下会不断的形成、破裂、再形成，分子的尺寸也以22.7倍的比例变大。

图丨科学家对这个冷原子实验室进行环境测试

Cornell和他的同事打算观测细菌般大小的二次Efimov态，即初始Efimov态消失后由于磁场增大而再次形成的Efimov态，为此，他们需要把原子气的密度变为原来实验的千分之一，但是这样的实验要求在地面上是及其难实现的，只能依靠于失重环境。

“如果仍旧在地面上实验，将会带来的另一个难题就是——一帮子研究生的研究进度放缓甚至是原地踏步”，Cornell补充道。

压轴出场：原子干涉测量

不过，CAL的主要目标很可能是进行一项叫做“原子干涉测量”(atominterferometry)的实验。但现在由于设备问题，CAL还不能立即进行这项实验。

为了制造BECs，CAL在JPL的开发者们选用了来自ColdQuanta公司制造的系统。该系统的核心是一个黄油棒大小的真空腔，在腔室的一端，有一个有助捕捉并冷却原子的微型晶片。但现在此晶片在原始和备用设备中都出现了漏电问题，为了保持项目的进度，研究人员转向了一种不配备有原子干涉所需小镜子的更简设计，并依旧让ColdQuanta来制作。

今后，他们将计划发射原子干涉仪的升级包来解决目前的问题。

原子干涉测量并不算复杂。首先，科学家会利用激光把BEC的量子波分裂成两半，变为两组原子。由于量子力学原理，“分裂”也就意味着两组原子会同时选择两组路径。如果分裂的路径是垂直分离，一条路径将无限远离地球，拥有比其他路径更多的重力势能，沿着这条路径运动的量子波的波动速度将稍快。最后当波合并时，由于发生干涉，它们将在BEC中制造一个波纹状的密度分布。这种方式最终能够精确地揭示原子在重力作用下绕地运动时的加速过程。

如果足够精确，轨道原子干涉测量技术有望实现更多科学上的应用。例如说，它将比当前依靠激光陀螺仪的设备更为精确，因此有可能被用到航天器的惯性导航系统中。

就像当年伽利略在意大利比萨斜塔上下落两个不同材质球的实验一样，通过测试重力对两种不同类型原子的BECs的影响，原子干涉技术可以验证所有物体(无论他们的重量或构成是否相同)的共同原理，即所有物体在重力作用下他们的加速度是一样的。

这种“等效原理”现在已经成为爱因斯坦引力理论——广义相对论的基石，而物理学家们依旧热衷于以尽可能多方式去验证它。

CAL项目只是冷原子空间实验的开端。除了这次发射以外，CAL和QUANTUS团队计划联手进行一个称做“Becal”的空间站任务，预计将在或年发射。这一任务的重点将放在原子干涉测量上，以望得到比目前最好的“等效原理”测试还高的灵敏度。

这次合作还能够展现不同团队的技术方法。NASA为了能在5年时间内把CAL整合起来，依靠的是商业的、现成的技术。Becal的合作项目有望将德国团队的技术内嵌到到JPL的空间站升级包中。

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，但内部却充斥着诸如泵和其他机械的震动噪声，而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。

利用一颗专用卫星可以实现用原子干涉仪来测量地球重力的微小变化，其测量精度将高于目前的卫星测量，这将可以为绘制全球质量流动（由于地下含水层的排水和冰盖融化等因素导致）提供一种新的工具。

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，这也正是CAL建立的目的所在。

虽然研究者还不清楚未来等待他们的是什么，但如Sackett所说：“一旦我们理解并运行这套系统，我相信我们会产生一些前所未有的酷点子。”

-延伸阅读：

CAL冷冻原子的“酷寒“四部曲

为了使气体冷却到接近绝对零度，CAL将在一块黄油的大小真空室中进行了一个多步骤的过程。一种叫做“原子晶片”的微型晶片将驱动最终的冷却步骤。

第一步：激光冷却

在磁阱中，六个方向的激光抵消原子的运动，减慢并冷却它们。

第二步：原子芯片“接棒“

原子被冷却到大约mK的时候，它们将被转移到由原子晶片的电流产生的纯磁阱中。

第三步：蒸发冷却

像在热汤上吹气一样，来自晶片的无线电波将最热的原子从陷阱中推出来，留下较冷的原子，BEC可以在这个阶段形成。

第四步：冷却扩张

为了降低温度，磁阱强度被削弱，势阱范围变宽，原子云膨胀并进一步冷却。

“原子冷却史”

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