最全揭秘7000萬美元神秘「大包裹」，國際空間站將迎來「太空最冷實驗」

由於成功驗證被理論預言已久的玻色-愛因斯坦凝聚態( BECs )，Eric Cornell 與Carl Wieman獲得了 2001 年的諾貝爾物理學獎。

一個有趣的故事是，在 1990 年的時候，為了利用自製激光器來誘導出玻色-愛因斯坦凝聚態( BECs )這一原子新物態，他們硬生生地把 2 樓的實驗室改造漆黑的「地下室」。

圖丨Eric Cornell和Carl Wieman

而現在，物理學家的實驗裝置將走出寂寞「小黑屋」奔向奢華的「太空總統套間」：2018 年，NASA的冷原子實驗室(Cold Atom Laboratory，CAL)將發射到國際空間站( International Space Station )。

那麼，科學家打算用這台價值7000 萬美元的實驗裝置創造什麼奇蹟？畢竟，光是地面上的「小黑屋」就曾驚動過諾貝爾獎。

沒有重力下，更持久的凝聚態

冷原子實驗室( CAL )可以將氣體原子冷卻到只比絕對零度高十億分之一度的極低溫度。對這些超冷原子的研究將重塑我們對物質和引力基本性質的了解，CAL所涉及的實驗也將為我們揭開暗能量的神秘面紗。

而CAL在太空中的第一個任務就已足夠讓凝聚態物理學家們沸騰了，那就是創造更低溫環境來製造玻色-愛因斯坦凝聚態( BECs )。

圖丨NASA的冷原子實驗室效果圖，具有激光器、真空室和一把電磁「刀」，能將氣體原子的能量消除，使其保持在極低溫的狀態

BECs 又稱為「物質的第五態」（共有六種物態，其他 5 個分別為氣態、液態、固態、等離子態和費米子凝聚態），遵從量子力學而非經典物理。這種物態的神奇之處就在於原本不同狀態的原子會突然「凝聚」到同一狀態（一般是基態），其奇特性質在晶元技術、精密測量和納米技術等領域都有豐富的應用前景。

CAL 將冷卻原子云至小於絕對零度以上十億分之一的溫度，以此來製造玻色愛因斯坦凝聚態( BECs )，其中的原子行為就像一個單一的量子物質波，可以無阻力的流動。在軌道空間環境下，原子可以無重力的懸停，讓物理學家們更多的時間來做實驗。

實驗裝置的大小近似一個冰櫃，裡面包含了實驗所需的激光、磁線圈、泵浦以及真空腔。物理學家將像使用太空望遠鏡的研究者一樣，輪流進行遠程實驗。

「從BECs開始,我已經投身這個領域 20 年了，現在要在太空做研究，這看起來著實瘋狂」，NASA噴氣推進實驗室（JPL）的物理學家、冷原子實驗室(CAL)項目的科學家Robert Thompson說到。

圖丨國際空間站

一旦 CAL 成功進入軌道，全自動的實驗裝置將開始製造BECs，並進行其他的冷原子實驗，而由於失重緣故，新的低溫記錄也將被創造。

來自弗吉尼亞大學夏洛茨維爾分校的物理學家、CAL的實驗者之一的Charles Sackett說到：「在太空中做原子物理的最大原因在於可以擺脫重力的束縛。」

確實，在地面的時候，由於重力的原因，留給科學家們測量BEC態的時間比留給太空中的時間要少得多。

在地球上製造出BEC態，物理學家一般會用激光來捕獲並冷卻原子，使得原子的速度從「千米/秒」下降到大致比步行還慢的「厘米/秒」量級。

但是，當他們要測量BEC態的時候，需要將BEC態的原子從勢阱中釋放出來，然後用激光照射其上而得到一個能夠反應原子分布的陰影。在地面上，當把BEC態的原子釋放時，重力就會作用於原子上，導致原子最終與真空腔底發生碰撞。

勢阱

關於什麼是勢阱，我們可以舉個直觀但或許不切實際的例子。把冷原子想像成一群掉入深井中的人們，如果井很高那麼即便是體能（能量）好的人也難以爬出井，但如果井的高度慢慢變矮，那麼就會有一些人活躍起來試圖爬出井，即便爬出去的可能性很小。而如果井底的空間慢慢變大，那麼本來擠得熱不可耐的人們因為空間變大而變得涼快起來。

此例中的井就是所說的由磁場形成的勢阱，而控制磁場，就可以調節井的高度與寬度。

在釋放到發生碰撞的過程中，研究者僅有 10-20 毫秒的時間進行測量。

而一旦到了無重力的軌道環境下，這個時間延長了至少 500 倍！

從釋放到殘餘氣體加熱真空腔的過程中，BEC態能夠維持大約 10 秒的時間，研究者有充足的時間進行地面上無法完成的測量。

不僅如此，在太空中原子還可以達到更低的溫度，而更低的溫度有可能會帶來一些微妙的新量子效應。

那這個更低的溫度又是如何實現的？製造BEC態的最後一個步驟是降低束縛原子的磁場，讓勢阱的強度變弱、範圍變寬，使得原子氣體膨脹開來從而實現冷卻。當在軌道環境下進行此步驟時，研究者可在滿足原子不脫離勢阱的前提下，得到比地面上強度更弱範圍更大的勢阱，因此也就能夠獲得更低的溫度。

圖丨1995年Eric Cornell和Carl Wieman發現BECs的試驗：用激光（紅色箭頭）和磁場（藍色箭頭）對銣原子（綠色區域）降溫，最終波色-愛因斯坦凝聚體在綠色區域出現

當然，地面上對於失重狀態的模擬也在不斷進行。目前地面試驗能達到的最低溫度50 pK，該溫度由德國應用空間技術和微重力中心的一個多機構小組QUANTUS（這個縮寫來源於德語「失重下的量子氣體」）實現。

而在空間站的實驗中，CAL的物理學家的目標是儘可能達到最低溫度，Sackett相信他們可以下降到100 pK甚至更低的溫度。雖然可能無法達到像QUANTUS所獲得的最低溫度，但是QUANTUS一天之內只能進行三次實驗，而CAL卻可以持續不斷的進行實驗。

今年早些時候，QUANTUS的研究人員在瑞典基律納發射了裝載實驗裝置的探空火箭。火箭被發射距地面 240 多公里的高度，飛行過程提供了 6 分鐘的自由落體過程。這段時間裡，全自動裝置總共進行了 85 個不同的實驗，其中包括了首次在太空中產生BEC態的實驗。

圖丨德國不萊梅應用空間技術和微重力中心146米的「落塔」

而現在，國際空間站( ISS )將會給冷原子實驗室( CAL )提供一年甚至更久的時間，以便科學家們可以做更多的研究。

量子力學中的葉菲莫夫效應

CAL的第二個任務則是為量子力學和重力學帶來更多突破。比如說，CAL團隊的一些研究者正計划去探查量子力學中神奇的葉菲莫夫效應( Efimov effect )。

葉菲莫夫效應能使某些原子形成弱束縛三原子分子，哪怕兩兩原子間沒有明顯的相互作用，其原子間的關係仍然如同「博羅梅安環」(Borromean ring)——博羅梅安環是一種拓撲性質的有趣之物，其最大的特點就是三環纏繞，去除其一，剩餘二者當土崩瓦解。

圖丨博羅梅安環

為了得到這樣的三原子分子，JILA 的 Cornell 、Peter Engels 同華盛頓大學的Maren Mossman 將對超冷原子鉀- 39 加磁場，在某個特定的場強下，誘導孤立的原子形成三原子分子( Efimov 態)。

這一效應已經在地面上已經被觀察到，但我們並沒有完全驗證這一理論。按照理論預言，Efimov 態在持續變強的磁場下會不斷的形成、破裂、再形成，分子的尺寸也以 22.7 倍的比例變大。

圖丨科學家對這個冷原子實驗室進行環境測試

Cornell 和他的同事打算觀測細菌般大小的二次 Efimov 態，即初始 Efimov 態消失後由於磁場增大而再次形成的 Efimov 態，為此，他們需要把原子氣的密度變為原來實驗的千分之一，但是這樣的實驗要求在地面上是及其難實現的，只能依靠於失重環境。

「如果仍舊在地面上實驗，將會帶來的另一個難題就是——一幫子研究生的研究進度放緩甚至是原地踏步」，Cornell 補充道。

壓軸出場：原子干涉測量

不過，CAL 的主要目標很可能是進行一項叫做「原子干涉測量」( atom interferometry )的實驗。但現在由於設備問題，CAL 還不能立即進行這項實驗。

為了製造 BECs ， CAL 在JPL 的開發者們選用了來自 ColdQuanta 公司製造的系統。該系統的核心是一個黃油棒大小的真空腔，在腔室的一端，有一個有助捕捉並冷卻原子的微型晶片。但現在此晶片在原始和備用設備中都出現了漏電問題，為了保持項目的進度，研究人員轉向了一種不配備有原子干涉所需小鏡子的更簡設計，並依舊讓 ColdQuanta 來製作。

今後，他們將計劃發射原子干涉儀的升級包來解決目前的問題。

原子干涉測量並不算複雜。首先，科學家會利用激光把 BEC 的量子波分裂成兩半，變為兩組原子。由於量子力學原理，「分裂」也就意味著兩組原子會同時選擇兩組路徑。如果分裂的路徑是垂直分離，一條路徑將無限遠離地球，擁有比其他路徑更多的重力勢能，沿著這條路徑運動的量子波的波動速度將稍快 。最後當波合併時，由於發生干涉，它們將在 BEC 中製造一個波紋狀的密度分布。這種方式最終能夠精確地揭示原子在重力作用下繞地運動時的加速過程。

如果足夠精確，軌道原子干涉測量技術有望實現更多科學上的應用。例如說，它將比當前依靠激光陀螺儀的設備更為精確，因此有可能被用到航天器的慣性導航系統中。

就像當年伽利略在義大利比薩斜塔上下落兩個不同材質球的實驗一樣，通過測試重力對兩種不同類型原子的 BECs 的影響，原子干涉技術可以驗證所有物體(無論他們的重量或構成是否相同)的共同原理，即所有物體在重力作用下他們的加速度是一樣的。

這種「等效原理」現在已經成為愛因斯坦引力理論——廣義相對論的基石，而物理學家們依舊熱衷於以儘可能多方式去驗證它。

CAL 項目只是冷原子空間實驗的開端。除了這次發射以外，CAL 和 QUANTUS 團隊計劃聯手進行一個稱做「 Becal 」的空間站任務，預計將在 2020 或 2021 年發射。這一任務的重點將放在原子干涉測量上，以望得到比目前最好的「等效原理」測試還高的靈敏度。

這次合作還能夠展現不同團隊的技術方法。NASA 為了能在 5 年時間內把 CAL 整合起來，依靠的是商業的、現成的技術。Becal 的合作項目有望將德國團隊的技術內嵌到到 JPL 的空間站升級包中。

物理學家們還有一個「小目標」，那就是發射一顆專用的實驗衛星來實現太空中冷原子實驗。目前空間站雖然提供了失重環境，但內部卻充斥著諸如泵和其他機械的震動雜訊，而一個更安靜的衛星環境或許能讓冷原子實驗達到更高的精確度和靈敏度。

利用一顆專用衛星可以實現用原子干涉儀來測量地球重力的微小變化，其測量精度將高於目前的衛星測量，這將可以為繪製全球質量流動（由於地下含水層的排水和冰蓋融化等因素導致）提供一種新的工具。

不過，無論之後的計劃多麼宏大，一切的基礎是科學家必須先學會如何在太空中進行原子物理研究，這也正是 CAL 建立的目的所在。

雖然研究者還不清楚未來等待他們的是什麼，但如 Sackett 所說：「一旦我們理解並運行這套系統，我相信我們會產生一些前所未有的酷點子。」

- 延伸閱讀：

CAL冷凍原子的「酷寒「四部曲

為了使氣體冷卻到接近絕對零度，CAL將在一塊黃油的大小真空室中進行了一個多步驟的過程。一種叫做「原子晶片」的微型晶片將驅動最終的冷卻步驟。

第一步：激光冷卻

在磁阱中，六個方向的激光抵消原子的運動，減慢並冷卻它們。

第二步：原子晶元「接棒「

原子被冷卻到大約 100 mK的時候，它們將被轉移到由原子晶片的電流產生的純磁阱中。

第三步：蒸發冷卻

像在熱湯上吹氣一樣，來自晶片的無線電波將最熱的原子從陷阱中推出來，留下較冷的原子，BEC可以在這個階段形成。

第四步：冷卻擴張

為了降低溫度，磁阱強度被削弱，勢阱範圍變寬，原子云膨脹並進一步冷卻。

「原子冷卻史」

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