9.7皮开尔文,约是室温的一百万亿分之一。11月6日,中国科学院空间应用工程与技术中心公布了中国空间站的最新科研成果,我国科研团队在梦天舱的超冷原子物理实验柜里,把铷原子云的等效温度压到了这个数字,并持续观测了7秒。这是目前已知最冷的人造物质,刷新了人类最低温物质纪录,论文同日刊发于国际学术期刊科学。此前保持纪录的是2021年德国科研团队做出的38皮开尔文,这一次,我们离绝对零度又近了一截。
要把原子冷到这种程度,地面上最难过的是重力那一关。原子会被往下拉,很难安安静静地充分降温,束缚得越紧,干扰反而越多。空间站的微重力环境换了一种局面,原子可以自己悬浮着,不必靠很强的外力按住,就能一路冷下去。我国团队正是借着这个条件,从地面远程操控舱内设备,完成了这项基础物理领域的突破。
承载实验的超冷原子物理实验柜2022年研制成功,随梦天舱一起进入中国空间站。它既像一台超级冰箱,又是一间前沿科学的微型实验室。金属铷先被加热蒸发,释放出铷蒸汽,再经磁光阱和光学黏团做初步冷却,随后用两级交叉光阱完成蒸发冷却与深度冷却,一层层把原子的热运动剥掉。本次采用的全光阱冷却技术,正是把最后那一步推到极低温的关键。
更不容易的是把这整套东西送上天。团队多年攻关,拿下超高真空环境获取、高功率光纤激光器研制等一串关键技术,把原本在地面上占地20立方米、重达10吨的实验系统,集成压缩到0.7立方米、500公斤,相当于把一间屋子大小的装置稳稳装进了冰箱大小的空间里。
绝对零度是零下273.15摄氏度,也就是0开尔文,是宇宙温度的下限。按热力学第三定律,人类只能无限接近,永远无法真正抵达。常温下原子不停碰撞、振动,做着无规则的热运动,温度越低,它们动得越慢,直到被冻到几乎静止。也恰恰是慢到这个份上,许多平日里一闪而过的微观规律才会浮现出来,被科学家真正看清。所谓追冷,追的从来不只是一个数字,而是让世界安静下来之后露出的那层秩序。
这份安静很快会有用处。新突破将推动早期宇宙模拟、超轻暗物质探测等前沿课题,相关技术也能用于研制更高精度的原子干涉仪、量子传感器和空间原子钟,进而服务地球微重力测量、惯性导航以及基本物理常数检验。项目由中国科学院空间应用工程与技术中心牵头,负责论证、管理与集成,北京大学和中国科学院上海光学精密机械研究所联合完成。
绝对零度依旧到不了,但这一回,人类又往前挪了小小一步,而且是隔着四百公里,从地面把那团原子轻轻按住的。
