比宇宙深空还冷数亿倍！中国空间站造出人类最冷物质

宇宙中最冷的地方在哪里？答案可能出乎很多人的意料：它不在遥远的星际空间，而在距离地面约400公里的中国空间站里。

中国科学家在天宫空间站梦天实验舱内，把一团铷原子冷却到了9.7皮开尔文，也就是比绝对零度仅高出不到一百亿分之一度。

这是人类迄今创造的最低温度，比此前由美国和德国保持的纪录低了好几倍。

从实验室到太空，人类追逐绝对零度的竞赛已经持续了一个多世纪，而这一次，领跑者换成了中国。

这项研究由北京大学和中国科学院等机构的科学家完成，成果以《太空中低于10皮开尔文的量子气体》为题，发表在国际顶级期刊《科学》上。

在失重中"冻住"原子

温度的本质，是微观粒子运动的剧烈程度。原子跑得越慢，温度就越低；如果原子完全静止，就达到了理论上的绝对零度，即零下273.15摄氏度。

9.7皮开尔文是什么概念？宇宙微波背景辐射的温度约为2.7开尔文，而这次实验的温度，比宇宙深空还要低约数亿倍。

在这样的极低温下，原子的运动速度不到每秒200微米，比蜗牛爬行还要慢得多。

换句话说，这团原子几乎是"一动不动"地悬停在实验装置中。

要达到这种温度，科学家通常会先用激光"刹住"原子，再用磁场或光场把它们关在"陷阱"里。随后，让能量最高的原子"逃走"，就像吹凉一杯热茶时带走最烫的水汽。

在地面上，这种方法会遇到一个绕不开的障碍，那就是重力。原子云在重力作用下会下沉、变形，陷阱不能放得太松，冷却效果因此受到限制。

这就好比想让一团棉花糖静静漂浮，在地球上它总会往下掉，科学家只能不断"托住"它，而托举本身又会带来额外的扰动。

太空中的微重力环境，恰好解决了这个难题。原子在失重状态下几乎"悬浮"不动，科学家可以把陷阱放得非常微弱，让原子云缓慢膨胀、进一步降温。

15年磨一剑的太空冷原子实验

这次实验在梦天实验舱的超冷原子物理实验柜中完成。梦天舱于2022年发射升空，是中国空间站的第三个主要舱段。

实验柜只有冰箱大小，却集成了数十路激光、复杂的真空系统和精密的电磁控制装置。

团队用精密控制的激光束构成光学陷阱，囚禁了约2万个铷-87原子。与以往太空实验普遍采用的原子芯片磁阱不同，这是一条全新的技术路线。

光学陷阱可以被调节得非常微弱，正好发挥出微重力环境的独特优势。

最终，原子形成了一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚体的奇特量子态。在这种状态下，大量原子仿佛"手拉手"步调一致，表现得像一个巨大的"超级原子"。

这种物质状态最早由爱因斯坦等人在上世纪20年代从理论上预言，直到1995年才首次在实验室中实现。

科学家对这团超冷原子云进行了长达7秒的观测。有国外物理学家评价说，这7秒的观测时间，甚至比10皮开尔文这个数字更有价值。

在地面上，这样的原子云往往在不到一秒内就会因重力而坠落，长时间观测几乎不可能实现。

在此之前，美国国际空间站上的冷原子实验室曾创造约52皮开尔文的有效温度，德国科学家在落塔实验中实现过约38皮开尔文。中国的新纪录把人类最低温度又往下推进了约四倍。

这样的跃升，在一个以"每进一步都极其艰难"著称的领域里，可谓难能可贵。

中国载人航天工程空间应用系统总指挥王强介绍，这个项目从2011年开始规划，经过科研和工程团队15年的协同攻关才最终取得突破。

值得一提的是，整套装置高度自动化，不需要航天员守在旁边调节旋钮。在空间站振动、磁场干扰和温度变化的复杂环境中，它依然能稳定运行。

最冷的原子，最灵敏的"尺子"

刷新纪录本身并不是终点。超冷原子在失重环境中又冷又"乖"，是开展基础物理研究的理想对象。

科学家可以借助它检验爱因斯坦广义相对论中的等效原理，寻找暗物质和暗能量的蛛丝马迹，或是探索新的量子现象。

在应用层面，超冷原子可以制成极其灵敏的量子传感器和原子干涉仪。它们能够捕捉到重力场极其细微的变化。

打个比方，它就像一把能感知地球"体重"细微起伏的超级秤，灵敏度远超传统仪器。

未来，这类太空传感器有望用于探测地下隐藏的矿产资源、监测冰川融化和海平面变化，甚至帮助提升卫星导航和时间测量的精度。

当然，这些应用还需要进一步的技术验证和工程化开发。如何让冷原子装置更小型化、更长寿命运行，也是下一步需要攻克的难题。

此外，太空实验的成本高昂、机会宝贵，如何最大化利用有限的实验时间，同样考验着科研团队的智慧。

但这项成果已经证明，中国空间站正在成为探索基础科学前沿的"太空实验室"。

在空间站已经批准开展的上千项科学实验中，超冷原子实验无疑是最受国际物理学界关注的项目之一。

在距离地面数百公里的轨道上，一团比宇宙深空还冷的原子，正在帮助人类叩问物质与宇宙最深处的奥秘。