準備打破宇宙最低溫紀錄，NASA冷原子實驗室將打造新極寒

宇宙最冷的溫度：

-273.149999999999℃

僅比絕對零度高：

0.000000000001℃。

但NASA的物理學家團隊正在國際空間站挑戰這一極寒溫度。

在去年5月份，他們的冷原子實驗室（CAL）將被送上國際空間站，並在那裏至少逗留三年。CAL將把一團原子雲的溫度降至前所未有的低點，比宇宙真空的溫度（絕對零度以上幾度）還要低。很快，全宇宙的“寒極”就將在國際空間站裏誕生。

CAL

液氮已經誕生一個多世紀，冷原子雲也已誕生30多年，而我們即將再一次突破寒冷的極限。藉此契機，物理學的部分疆域也將大白於世。“觀察幾乎固定不動的極寒原子正是原子物理學的聖盃！”這項實驗的科學負責人羅勃·湯普遜（Rob Thompson）激動地介紹道，“我們即將在太空中實現這一點，在前所未有的低溫環境中——那是量子效應的天下。

之所以要在太空中進行實驗，是因爲在地球上，重力會影響我們控制冷原子：原子會被拽向地面，迅速越出實驗邊界，導致我們能連續觀察超低溫環境下原子雲的時間不超過2秒。“但在太空中，我們可以觀察更長時間，可達5到10秒。”CAL計劃副主任卡梅爾·烏德西里（Kamal Oudrhiri）透露。

小型化困難

只是多了幾秒，但結果完全不同：在這一狹小的時間窗口中，物理學家可再一次向那些原子施加磁場，把它們的溫度降到創紀錄的數皮開。

然而要在太空中進行一項原子物理實驗談何容易。最大的困難在於小型化。“我們必須在一個大盒子裏完成整個實驗……可在地球上，那些儀器要佔據整整一間屋子！”卡梅爾·烏德西里指出。真空艙與真空泵、冷卻系統、克服軌道上時強時弱的地磁場影響的裝甲……

美國航空航天局CAL任務起止時間是2012年至2020年

CAL的物理學家花了三年，終於將所有組件塞進多個模塊，用一艘SpaceX增壓貨運飛船運至國際空間站，完成搭建。

CAL儀器

爲減輕宇航員的負擔，研究團隊選擇藉助以太網在地面上控制實驗。另外，鑑於實驗對振動極其敏感，只要有一位宇航員在空間站活動，實驗就無法進行，因此他們必須等到宇航員全部入睡後才能着手製造宇宙寒極。

量子效應

現在，一切已經就緒，或基本就緒，物理學家終於可以開始探索極寒世界，觀察物質在其中的表現了。

在極低溫環境下，物質會呈現出一種奇特的狀態，那就是玻色-愛因斯坦凝聚——這個名字來自1924年對這種狀態進行理論描述的兩位著名物理學家。隨着溫度不斷降低，粒子的波長不斷增加，物質的波動性愈發突出，量子效應將在微觀尺度上顯現……

製冷步驟

當一些粒子（玻色子）的波長大於它們的間距時，就變得無法逐一區分：它們成爲一體，形成玻色-愛因斯坦凝聚。“所有原子將處於同一量子態，處於束縛它們的磁場的最低能級，可用同一個波函數來描述，”法國巴黎高等師範學院卡斯特勒-布羅塞爾實驗室研究員法布里斯·傑爾比耶（Fabrice Gerbier）詳述道。在解除磁場束縛、原子雲開始自由擴散的時候，就能測得最低溫。

激光向原子施加反向力，令它們減速，原子雲將冷卻。