高處不勝寒——國際空間站上的NASA冷原子實驗室_風聞

原創：牧夫天文

文章來源：NASA

原作：Calla Cofield

編譯：艾宇熙

校譯：徐鵬暉

編排：王璞

原文鏈接：

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？南極點冬季的最低温度是零下85攝氏度，月球無光照的一面低温可達零下173攝氏度。而NASA國際空間站中的冷原子實驗室（CAL）裏，“最低温度”是零下272.7攝氏度——僅比絕對零度高了不到一度。冷原子實驗室是地球軌道中第一個製造超冷原子的設備，自然界中，沒有什麼物質可以達到冷原子實驗室中超冷原子的低温，所以CAL大概是宇宙中最“冷”的地方。

圖片説明 諾斯羅普·格魯曼天鵝座宇宙飛船於2018年5月24日抵達國際空間站，它負載着NASA的冷原子實驗室

圖片來源 NASA

冷原子實驗室於2018年5月21日從美國弗吉尼亞發射升空。現在，它每天都在製造超冷原子。在它升空的第一年，冷原子實驗室將迎來五個科學團隊的不同實驗，其中已經有三個實驗正在部署之中。

圖片説明 保護罩中的冷原子實驗室

圖片來源 NASA/Northrop Grumman

人們為什麼要製造超冷原子呢？從微觀角度看，室温下的原子就像一隻瘋狂的小鳥飛來竄去，相比之下，超冷原子就如同一隻蝸牛運動緩慢——室温原子的運動可能比超冷原子快200000倍。因此，超冷原子是觀察和研究許多基本物理現象的絕佳體系。

科學家們在地球上的實驗室中也可以製造超冷原子，但由於重力作用，冷原子雲會快速下落，觀測它們的時間十分有限。人們嘗試利用磁場固定這些超冷原子，但磁場同時也會限制超冷原子自發的運動。而在太空CAL的微重力環境下，冷原子雲“漂浮”的時間大大延長，使科學家們得以對它們的行為進行更深入的研究。

圖片説明 冷原子實驗的物理學家在CAL試驗枱中工作，試驗枱複製了太空中的CAL設施，使科學家們得以在地球上模擬太空中的CAL

圖片來源 NASA/JPL-Caltech

製造冷原子雲的第一步是用激光對體系降温，減慢原子的運動。無線電波可以分離出一組原子中運動速度較快（也就是温度較高）的部分，進一步降低整個體系的温度。最後，從磁場限制中釋放原子，原子雲膨脹，這一釋放過程中整個體系壓力減小，體系温度進一步降低。太空中，原子雲膨脹的過程更長，因此超冷原子可以達到比地球上更低的温度，比如百億分之一開爾文（比絕對零度高百億分之一度）。

圖片説明 CAL的一個部件，在這個部件中可以製造被稱為玻色-愛因斯坦凝聚體的超冷原子

圖片來源 NASA/JPL-Caltech

地球上製造超冷原子的設施通常佔據一整個房間，大部分情況下，硬件都處於暴露的狀態，科學家可以根據需要對它們進行調試。但可以想見，在太空站建設冷原子實驗室面臨着許多設計上的挑戰：第一，每次運上空間站的載荷有限，所以冷原子實驗室被設計成了分開的兩部分；第二，太空冷原子實驗室必須是全封閉的結構，因此它擁有一個特殊的用來承裝冷原子的真空箱，真空箱的密封之緊幾乎不可能使得任何外界的原子進入其中，這種技術在太空站的歷史上也是第一次出現。此外，讓冷原子實驗室承受發射時的外力擾動也是一個挑戰。研究團隊花了幾年時間製造符合全部上述要求的冷原子實驗室硬件，有些組件被多次重新設計，有些組件最後就被棄之不用，整個設備被完全拆卸和組裝了三次。

這個冷原子實驗室是人類在太空中運行的第二個超冷原子設備，卻是第一個在地球軌道上運行並停留了數月的冷原子設備。自2012年項目開始後，太空冷原子實驗室終於在今年5月成為了現實。CAL團隊通過實時視頻與國際空間站中的宇航員通話，指導他們出艙裝配冷原子實驗室。冷原子實驗室將為人類探究自然的奧秘開啓新的通道。

『天文時刻』 牧夫出品

微信號：astronomycn

圖片名稱 International Space Station docked with Endeavour and Johannes Kepler

圖片來源 Wiki