NASA的太空量子實驗室將於本月發射，或成為宇宙中最冷的地方

量子物理學家們就要在太空中建立自己的遊樂場了。NASA的「冷原子實驗室（Cold Atom Laboratory）」計劃已經準備就緒，將於5月20日把設備發射到國際空間站。一旦實驗室在太空建成，將成為目前已知的宇宙中最冷的地方，研究人員可以在此研究地球上難以觀察到的量子現象。

NASA將在太空冷原子實驗室中使用的激光製冷設備

空間中的冷原子實驗室

這項花費了8300萬美元任務將被用來研究宏觀尺度上的量子力學，使物質直接進入玻色-愛因斯坦凝聚的狀態。研究人員將在此生成一朵由幾十萬原子組成的「雲」，當其冷卻到接近絕對零度的時候，原本不同狀態的原子將會同步起來，凝聚為單一的量子對象。「如果能在太空中進行這些實驗，將是一個巨大的成就」，加州帕薩迪納噴氣推進實驗室的任務經理卡莫爾·奧德希里（Kamal Oudrhiri）說道。

地球上，由於引力的存在，這些超冷的凝聚物通常會在生成後的幾秒鐘內潰散。目前，這種物質狀態的時間最長記錄是在微重力落塔中實現的，長9秒鐘。但在空間站中，這種狀態應該能維持10秒以上。研究人員將有足夠長的時間將其維持在破紀錄的低溫下——或許只比絕對零度高20億分之一度。奧德希里說，這將是宇宙中已知最冷的溫度。馬里蘭州蓋瑟斯堡的美國國家標準與技術研究所的原子物理學家Gretchen Campbell說，更冷、更持久的玻色-愛因斯坦凝聚態將「推動基礎物理學的前沿研究」，「這是人們已經期待了近15年的事情。」

設備小型化

空間站里的每一寸空間都無比珍貴，所以工程師們必須壓縮這些實驗設備的尺寸，把地面上一大間房子里的設備裝到一個大小適中的箱子里。這套設備可以通過散射激光來從各個方向降低銣原子和鉀原子的運動速度，使其冷卻到幾乎停滯的狀態。磁場則會用來在空間中維持住這朵原子云的形狀。為了造出玻色-愛因斯坦凝聚態，還要有其他冷卻技術來促使這朵雲更加接近絕對零度，比如，要用電波「刀」把系統中最高能量的原子「切除」，加寬陷阱以讓雲膨脹。

工程師們還必須設計屏蔽，以保護精細的凝聚物免受密集組件和地球造成的磁場干擾。雖然宇航員在到達空間站後會拆包並安裝設備，但實驗將只在團隊睡著的時候自動運行，以盡量減少任何干擾導致的中斷。

太空冷原子實驗室的設備必須小型化

由於實驗設備在開發之初的採用了更為複雜的設計，導致了真空腔泄露等問題，使得工程師們不得不對原設計進行改版。雖然更為簡潔可靠的設計已經完成，但本次實驗中，物理學家們還不能完成最初的目標：將凝聚態的物質波一分為二，再將其合二為一，由此產生的干涉模式將允許科學家以更高精度來分析重力的影響，以及測試凝聚物是否可以用作非常靈敏的旋轉和重力感測器。但是這一任務的工程科學家羅伯特·湯普森（Robert Thompson）表示，更為先進的設備會在2019年底發射，屆時這些實驗就可以開展了。

新的物理現象

湯普森說，利用當前的實驗設備，依然允許科學家們看到全新的物理現象。有五個科研團隊會參與實驗，其中之一的實驗計劃就是利用電波和磁場將凝聚物控制為30微米直徑的氣泡狀——這個尺寸是人類頭髮直徑的一半。量子力學認為，由於氣泡既薄又無邊，凝聚物的行為與地球上的圓盤或球體物將會不同——比如說，它可能更容易形成漩渦。但在地球上，由於重力的影響，製造氣泡的嘗試總是不能得到令人滿意的形狀。

另一項實驗中，科研人員將嘗試實現「埃菲莫夫（Efimov）態」。俄國物理學家維塔利·埃菲莫夫在上世紀70年代預言了這種新物質狀態的存在：受量子態的影響，某些原子兩兩之間的結合會非常弱，但卻能三個一組的結合成環狀。如果任何一個原子被移除，系統都會崩解。核物理學家一直對此深感興趣，因為它們與質子和中子組成的三粒子原子核有相似之處，這種結構一直都讓人難以理解。華盛頓州立大學的物理學家莫侖·波斯曼（Maren Mossman）表示，除了最簡單的三原子埃菲莫夫態，科研人員還會嘗試製造四原子埃菲莫夫態。

三原子埃菲莫夫態

莫侖表示，空間冷原子實驗室的構建，將促成量子物理學家們像粒子物理學家們那樣：多團隊合作，共用實驗設備，「這太不可思議了。」湯姆森則表示，這個實驗室的建造過程「比我們大多數人想像的要好」，「我們將真正的在空間站所能達到的高度進行實驗。」

國際空間站

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