量子物理学家即将拥有自己在太空中的游乐场。美国宇航局的冷原子实验室计划于5月20日发射到国际空间站，它将成为已知宇宙中最冷的地方。研究人员将使用该实验室来探测地球上无法观察到的量子现象。
这项耗资8300万美元的任务将通过制造一种被称为玻色-爱因斯坦凝聚态 (BEC) 的物质状态，来研究宏观尺度的量子力学。这些是由数十万个原子组成的云团，当冷却到略高于绝对零度时，它们会像波一样同步成一个单一的量子物体。“仅仅能够在太空中进行这些实验，我认为就是一个巨大的成就，”位于加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室 (JPL) 的任务经理卡迈勒·奥德里里 (Kamal Oudrhiri) 说。
在地球上，引力通常会在几秒钟内分散这些凝聚态。BEC 最接近太空条件的时刻是在研究火箭中的短暂停留，或者在从跌落塔中坠落9秒钟。但是，漂浮在空间站上，它们应该能够存在至少10秒钟。这足以让它们冷却到创纪录的低温——可能低至绝对零度以上 20 万亿分之一度。奥德里里说，这将是宇宙中已知的最低温度。更冷和更持久的凝聚态将“推动研究基础物理学的前沿”，美国国家标准与技术研究所（位于马里兰州盖瑟斯堡）的原子物理学家格雷琴·坎贝尔 (Gretchen Campbell) 说。“这是人们希望了将近 15 年的事情。”
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小型化套件
空间站上的空间非常宝贵，因此工程师们不得不将通常需要占用一个大房间的原子物理设备缩小到一个冷藏箱大小的箱子中。该设备将通过向各个方向散射激光，使粒子减速至几乎静止，从而冷却铷和钾原子。然后它将使用磁场来捕获云团。为了创建凝聚态，使用了其他冷却技术来进一步将云团推向绝对零度——包括使用射频波“刀”去除能量最高的原子，并扩大陷阱以让云团膨胀。
工程师们还必须设计屏蔽层，以保护脆弱的凝聚态免受密集封装的组件和地球变化的磁场的干扰。尽管宇航员将拆开并安装设备，但实验只会在团队睡觉时进行，以最大程度地减少任何运动造成的干扰。
在实验室的更复杂版本出现泄漏，影响真空室并威胁到延迟该项目之后，这项技术比最初的计划要简单得多。因此，物理学家们还无法实现他们进行太空原子干涉测量的最终目标——这个过程包括将凝聚态的量子波一分为二，然后重新组合这些波。由此产生的干涉图案将使科学家能够以精密的精度分析重力的影响，并测试凝聚态是否可以用作非常灵敏的旋转和重力传感器。但是，喷气推进实验室该任务的项目科学家罗伯特·汤普森 (Robert Thompson) 说，更先进的套件应该会在 2019 年底之前到达。
气泡、环和漩涡
汤普森说，目前的迭代仍然可以实现新的物理学研究。五个团队计划在该实验室进行实验；其中一个计划使用无线电波和磁场将凝聚态捕获在一个直径约为 30 微米的气泡形状中——大约是人头发宽度的一半。量子力学表明，由于气泡既薄又无边缘，凝聚态的行为应该与地球上呈圆盘状或球形时不同。例如，它可能更容易形成被称为漩涡的涡流，位于马萨诸塞州北安普顿的史密斯学院的理论物理学家考特尼·兰纳特 (Courtney Lannert) 说。在地球上，尝试创建气泡总是会以流体掉落的碗状结束。“除非我们能摆脱重力，否则我们根本无法获得这种形状，”她说。
科罗拉多大学博尔德分校的埃里克·康奈尔 (Eric Cornell) 领导的一个小组，他因共同发现 BEC 而获得了2001 年的诺贝尔物理学奖，将尝试创建称为埃菲莫夫态的奇异松散束缚系统。这些量子态以俄罗斯理论物理学家维塔利·埃菲莫夫 (Vitaly Efimov) 的名字命名，他于 1970 年提出了它们的存在，当原子结合力太弱而无法成对结合时，它们就会出现，但可以形成三人组。这些类似于 Borromean 环——环的连接方式是如果移除任何一个环，系统就会瓦解——并且核物理学家对它们很感兴趣，因为它们与由中子和质子组成的罕见且了解甚少的三粒子核有相似之处。该团队希望创建最简单的埃菲莫夫态，以及激发态，膨胀版本，其中原子彼此结合，尽管它们相隔一个细菌的宽度。华盛顿州立大学普尔曼分校的物理学家马伦·莫斯曼 (Maren Mossman) 说，该小组或许还可以制造出这种原子的四人组，称为四聚体。
莫斯曼说，对于原子物理学家来说，空间站的设置因更多实际原因而变得非凡。他们习惯于自己制造设备并随时调整实验。但是，有了冷原子实验室，许多人第一次共享一个设施，莫斯曼说，他们必须通过地面操作该设施的喷气推进实验室的研究人员进行实验。“粒子物理学领域的人从一开始就一直在这样做。但这对于我们原子物理学领域的人来说太奇怪了，”她说。
汤普森说，这个过程的进展“比我们大多数人预期的要好”，自 1997 年加入喷气推进实验室以来，他一直在努力创建一个这样的设施。他认为目前的版本是朝着太空中更复杂的原子物理实验室迈出的一步。他说，美国宇航局正在与德国航空航天中心 (DLR) 合作，建立一个名为 BECCAL（玻色-爱因斯坦凝聚态和冷原子实验室）的设施。空间站上的许多实验已经测试了低重力的影响，但对于大多数实验来说，极端的微重力是“过度的”，汤普森补充道。“我们是真正突出空间站能够做什么的实验之一。”
本文经许可转载，并于 2018 年 5 月 8 日首次发表。