高处不胜寒——国际空间站上的NASA冷原子实验室_风闻

原创：牧夫天文

文章来源：NASA

原作：Calla Cofield

编译：艾宇熙

校译：徐鹏晖

编排：王璞

原文链接：

https://www.nasa.gov/feature/jpl/the-coolest-experiment-in-the-universe

你能想到的最冷的地方有多冷？南极点冬季的最低温度是零下85摄氏度，月球无光照的一面低温可达零下173摄氏度。而NASA国际空间站中的冷原子实验室（CAL）里，“最低温度”是零下272.7摄氏度——仅比绝对零度高了不到一度。冷原子实验室是地球轨道中第一个制造超冷原子的设备，自然界中，没有什么物质可以达到冷原子实验室中超冷原子的低温，所以CAL大概是宇宙中最“冷”的地方。

图片说明 诺斯罗普·格鲁曼天鹅座宇宙飞船于2018年5月24日抵达国际空间站，它负载着NASA的冷原子实验室

图片来源 NASA

冷原子实验室于2018年5月21日从美国弗吉尼亚发射升空。现在，它每天都在制造超冷原子。在它升空的第一年，冷原子实验室将迎来五个科学团队的不同实验，其中已经有三个实验正在部署之中。

图片说明 保护罩中的冷原子实验室

图片来源 NASA/Northrop Grumman

人们为什么要制造超冷原子呢？从微观角度看，室温下的原子就像一只疯狂的小鸟飞来窜去，相比之下，超冷原子就如同一只蜗牛运动缓慢——室温原子的运动可能比超冷原子快200000倍。因此，超冷原子是观察和研究许多基本物理现象的绝佳体系。

科学家们在地球上的实验室中也可以制造超冷原子，但由于重力作用，冷原子云会快速下落，观测它们的时间十分有限。人们尝试利用磁场固定这些超冷原子，但磁场同时也会限制超冷原子自发的运动。而在太空CAL的微重力环境下，冷原子云“漂浮”的时间大大延长，使科学家们得以对它们的行为进行更深入的研究。

图片说明 冷原子实验的物理学家在CAL试验台中工作，试验台复制了太空中的CAL设施，使科学家们得以在地球上模拟太空中的CAL

图片来源 NASA/JPL-Caltech

制造冷原子云的第一步是用激光对体系降温，减慢原子的运动。无线电波可以分离出一组原子中运动速度较快（也就是温度较高）的部分，进一步降低整个体系的温度。最后，从磁场限制中释放原子，原子云膨胀，这一释放过程中整个体系压力减小，体系温度进一步降低。太空中，原子云膨胀的过程更长，因此超冷原子可以达到比地球上更低的温度，比如百亿分之一开尔文（比绝对零度高百亿分之一度）。

图片说明 CAL的一个部件，在这个部件中可以制造被称为玻色-爱因斯坦凝聚体的超冷原子

图片来源 NASA/JPL-Caltech

地球上制造超冷原子的设施通常占据一整个房间，大部分情况下，硬件都处于暴露的状态，科学家可以根据需要对它们进行调试。但可以想见，在太空站建设冷原子实验室面临着许多设计上的挑战：第一，每次运上空间站的载荷有限，所以冷原子实验室被设计成了分开的两部分；第二，太空冷原子实验室必须是全封闭的结构，因此它拥有一个特殊的用来承装冷原子的真空箱，真空箱的密封之紧几乎不可能使得任何外界的原子进入其中，这种技术在太空站的历史上也是第一次出现。此外，让冷原子实验室承受发射时的外力扰动也是一个挑战。研究团队花了几年时间制造符合全部上述要求的冷原子实验室硬件，有些组件被多次重新设计，有些组件最后就被弃之不用，整个设备被完全拆卸和组装了三次。

这个冷原子实验室是人类在太空中运行的第二个超冷原子设备，却是第一个在地球轨道上运行并停留了数月的冷原子设备。自2012年项目开始后，太空冷原子实验室终于在今年5月成为了现实。CAL团队通过实时视频与国际空间站中的宇航员通话，指导他们出舱装配冷原子实验室。冷原子实验室将为人类探究自然的奥秘开启新的通道。

『天文时刻』 牧夫出品

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图片名称 International Space Station docked with Endeavour and Johannes Kepler

图片来源 Wiki