准备打破宇宙最低温纪录，NASA冷原子实验室将打造新极寒

宇宙最冷的温度：

-273.149999999999℃

仅比绝对零度高：

0.000000000001℃。

但NASA的物理学家团队正在国际空间站挑战这一极寒温度。

在去年5月份，他们的冷原子实验室（CAL）将被送上国际空间站，并在那里至少逗留三年。CAL将把一团原子云的温度降至前所未有的低点，比宇宙真空的温度（绝对零度以上几度）还要低。很快，全宇宙的“寒极”就将在国际空间站里诞生。

CAL

液氮已经诞生一个多世纪，冷原子云也已诞生30多年，而我们即将再一次突破寒冷的极限。借此契机，物理学的部分疆域也将大白于世。“观察几乎固定不动的极寒原子正是原子物理学的圣杯！”这项实验的科学负责人罗勃·汤普逊（Rob Thompson）激动地介绍道，“我们即将在太空中实现这一点，在前所未有的低温环境中——那是量子效应的天下。

之所以要在太空中进行实验，是因为在地球上，重力会影响我们控制冷原子：原子会被拽向地面，迅速越出实验边界，导致我们能连续观察超低温环境下原子云的时间不超过2秒。“但在太空中，我们可以观察更长时间，可达5到10秒。”CAL计划副主任卡梅尔·乌德西里（Kamal Oudrhiri）透露。

小型化困难

只是多了几秒，但结果完全不同：在这一狭小的时间窗口中，物理学家可再一次向那些原子施加磁场，把它们的温度降到创纪录的数皮开。

然而要在太空中进行一项原子物理实验谈何容易。最大的困难在于小型化。“我们必须在一个大盒子里完成整个实验……可在地球上，那些仪器要占据整整一间屋子！”卡梅尔·乌德西里指出。真空舱与真空泵、冷却系统、克服轨道上时强时弱的地磁场影响的装甲……

美国航空航天局CAL任务起止时间是2012年至2020年

CAL的物理学家花了三年，终于将所有组件塞进多个模块，用一艘SpaceX增压货运飞船运至国际空间站，完成搭建。

CAL仪器

为减轻宇航员的负担，研究团队选择借助以太网在地面上控制实验。另外，鉴于实验对振动极其敏感，只要有一位宇航员在空间站活动，实验就无法进行，因此他们必须等到宇航员全部入睡后才能着手制造宇宙寒极。

量子效应

现在，一切已经就绪，或基本就绪，物理学家终于可以开始探索极寒世界，观察物质在其中的表现了。

在极低温环境下，物质会呈现出一种奇特的状态，那就是玻色-爱因斯坦凝聚——这个名字来自1924年对这种状态进行理论描述的两位著名物理学家。随着温度不断降低，粒子的波长不断增加，物质的波动性愈发突出，量子效应将在微观尺度上显现……

制冷步骤

当一些粒子（玻色子）的波长大于它们的间距时，就变得无法逐一区分：它们成为一体，形成玻色-爱因斯坦凝聚。“所有原子将处于同一量子态，处于束缚它们的磁场的最低能级，可用同一个波函数来描述，”法国巴黎高等师范学院卡斯特勒-布罗塞尔实验室研究员法布里斯·杰尔比耶（Fabrice Gerbier）详述道。在解除磁场束缚、原子云开始自由扩散的时候，就能测得最低温。

激光向原子施加反向力，令它们减速，原子云将冷却。