封面新闻记者 边雪
9.7皮开尔文—— 这个数字小到几乎失去了日常意义。它是开尔文温标的万亿分之九点七，是室温的约三十万亿分之一。如果把绝对零度比作深渊的底部，人类此前从未有一团物质如此贴近那条理论上无法抵达的底线。
十一月初，中国科学院空间科学与应用总体部举行的中国空间站成果发布会上，让这个数字进入了公众视野：中国科学家利用空间站梦天舱内的超冷原子物理实验柜，将一团铷原子云冷却到了上述温度，刷新了人类已知的最低温度纪录，并在此状态下持续观测了七秒。论文在《科学》上线的那天，论文共同通讯作者、北京大学教授周小计在发布会上直言：“2017年，美国的新闻记者们写了这么一个标题：宇宙中最冷的那个点在NASA的冷原子实验室空间站。但是，今天我想说，宇宙中最冷的那个点应该在中国空间站。”
超冷原子物理实验柜。（图源：中国科学院上海光机所）
封面新闻记者从中国科学院上海光机所获悉，中国空间站超冷原子物理实验柜项目从2011年开始论证，到2022年研制成功、随“梦天”舱发射，如今取得重大突破，历时15年。这是系统总体、科学团队、工程团队集智攻关、团结协作的结果。
一间“冰箱”的十五年
超冷原子物理实验柜在空间站里被叫作“超级冰箱”。这个称呼不算夸张，但它所处理的“样品”并非食物，而是一团被激光囚禁的铷原子云。从2011年项目论证算起，到2022年随梦天舱发射入轨，再到如今产出结果，这条时间线整整划过了十五年。
把地面上一套占地二十立方米、重达十吨的实验系统，压缩进零点七立方米、五百公斤的柜体里，本身就是一个关于极限的工程故事。论文共同第一作者、中国科学院上海光机所研究员李唐在会后接受采访时打了一个比方：“把大象装进冰箱，不是把冰箱门打开、把大象塞进去、再把门关上那么容易。你把大象分割了塞进去，大象就死了。我们的做法是，它还不能死，还要装进冰箱——那就得让它‘减肥’，把一头大象培育成一只小羊羔，装进去还能活蹦乱跳。”
团队需要将极高真空度物理系统、高功率光纤激光器、长期连续激光稳频、高精度集成光机等关键技术逐一攻克，再把二十三条光路分别做成独立模块塞进去，还要保证它们在发射震动和轨道运行中不偏不倚。李唐描述这个过程时提到一个细节：每一条光路都要经过多轮仿真计算和仔细设计，装上去之后还得考虑运输和空间环境下的稳定性。
技术路线上的选择同样体现了某种“不走捷径”的倾向。国际上惯用的方案是磁阱冷却，技术相对成熟。中国团队选择了全光阱。难度更大，但好处在于全光阱对磁场干扰不敏感，在空间环境中更容易实现多光束的精确控制，对多种量子模拟实验的兼容性也更好。
冷却策略则分两步走：先用降低光强的方式进行蒸发冷却，把原子云的温度一步步往下压；再借助非绝热扩散完成深度冷却，最终触及皮开尔文量级。听起来是一套清晰的流程，但每一步的容错空间都极其狭窄。
为什么非得上天
一个自然的问题是：地面实验室做不了吗？
能做，但做不深。重力是超冷原子实验最顽固的对手。在地面上，原子云被释放后会因重力迅速下坠，想要让它“待着不动”，就必须施加更强的束缚，而束缚本身又会给原子注入多余的能量，温度便降不下去。论文共同通讯作者、北京大学教授陈徐宗给出了一组对比：地面上的自由演化只能维持约零点零五秒。原子还没来得及展现那些微妙的量子行为，就已经坠出了视野。
空间站的微重力环境改变了这一切。原子云可以近乎自由地漂浮，束缚可以极弱，冷却的极限随之被推低。观测时间从零点零五秒拉长到了七秒。李唐在采访中用了一个更朴素的画面来解释为什么非要让原子“慢下来”：“你观察一个小朋友，如果他以百米速度从你面前跑过去，你只能看到一道残影，看不清楚；如果他以很慢的速度走过来，你就能观察得很清楚。我们希望原子慢下来、温度降下来，就是为了把它看清楚。”
七秒在日常生活里短得可以忽略，但对于一团温度接近绝对零度的原子云而言，它意味着原子有足够的时间以极慢的速度膨胀、相互作用。麻省理工学院教授、诺贝尔物理学奖得主沃尔夫冈·克特勒对此有一个直观的换算：在地球上，这团原子云七秒内会下落约二百五十米，除非你有一个二百五十米高的真空管，否则它早就撞上地面了。而在空间站里，它只是安静地待在原处，膨胀了大约五百微米，不到一根头发丝的粗细。
冷下来的意义
把原子冻到几乎静止，究竟为了什么？温度的本质是微观粒子运动的剧烈程度。当铷原子云被冷却到皮开尔文量级，原子的热运动几乎消失，其德布罗意波长伸展到可观测的宏观尺度。此时，单个原子的个性消融，整团原子云开始表现出统一的量子行为，物理学家称之为玻色-爱因斯坦凝聚。原子不再是乱哄哄的个体，而像一支步伐一致的队伍。李唐解释道：“不是一颗原子，是一团原子，是一个原子系统。温度高了，热运动会破坏它的量子特性，带来额外的噪声。我们把它降得很低，就是要把这些‘不好的特性’去掉，让量子特性非常纯粹地呈现出来。”
这种状态的价值在于测量。原子越冷、运动越慢、观测时间越长，干涉仪和原子钟的精度就越高。陈徐宗在发布会上给出了一组估算：七秒的观测窗口如果用于未来的原子干涉仪，精度至少可以提升五十倍；若冷却技术进一步推进到飞开尔文量级，观测时间延长到十秒甚至百秒以上，探测暗物质、暗能量的干涉仪精度提升幅度可能达到百倍乃至万倍。
这并非遥不可及的幻想。手机导航依赖卫星原子钟提供的授时精度，电网同步、金融交易时间戳的底层同样是高精度时间基准。冷原子重力仪可以察觉极微小的重力变化，用于资源勘探或地质灾害监测。这些应用的共同逻辑是：底层测量精度每提升一个台阶，上层技术的可能性就打开一层。
《科学》审稿人在评价这项工作时使用了“里程碑”一词，认为它对基础物理研究及空间导航、地球观测等应用具有重要价值。克特勒的评价则更朴素一些：这是一个很好的起点，可以推进原子温度测量和精密测量。
从更远的视角看，向绝对零度逼近的百年努力，本质上是一场关于“控制”的漫长博弈。控制原子的运动，控制它们的环境，控制它们相互作用的每一个变量。9.7皮开尔文的意义不在于数字本身，而在于它证明了一套极其精密的操控体系可以在距地面四百公里的轨道上稳定运行。十五年前那个从零开始的论证项目，如今交出的答卷是一团几乎静止的原子云，和七秒钟的从容凝视。在那七秒里，人类对量子世界的掌控力，又向前挪了一小步。
【未经授权，严禁转载！联系电话028-86968276】
