北京时间11月6日凌晨，国际学术期刊《科学》在线发表中国空间站超冷原子物理实验成果。中国科学家在空间站超冷原子物理实验柜中，把一团铷原子云冷却到9.7皮开尔文，较室温降低14个数量级，并可持续观测7秒。这是人类迄今已知的最低温度纪录，也意味着中国科学家向绝对零度又迈进了一大步。

9.7皮开尔文，到底有多冷？这项纪录是怎么做出来的？它和我们普通人有什么关系？背后又经历了哪些不为人知的难关？

9.7皮开尔文，冷到什么程度？

先理解一个单位：皮开尔文。1皮开尔文等于一万亿分之一、也就是10⁻¹²开尔文。热力学第三定律告诉我们“永远不可能达到”的绝对零度就是0开尔文，约等于-273.15℃。9.7皮开尔文，就是0.0000000000097开尔文，只比绝对零度高一点点。

我们日常的室温大约300开尔文。9.7皮开尔文比室温低了约14个数量级。这是什么概念？就好比你手里有一块钱，跟中国一年的GDP比，中间的差距就是十四个数量级。

这里说的“温度”，并不是拿温度计插进原子云里量出来的，而是根据铷原子的运动速度换算出的“等效温度”。原子运动越慢，等效温度越低。冷到9.7皮开尔文，意味着这团原子几乎“静止”。

需要说明的是，“最冷人造物质”指的是处于极低温状态的铷原子云，不是一种新元素或新物质。可持续观测7秒，也不是说原子只存在了7秒，而是这团极低温原子云能维持适合实验观测条件的时间。

超冷实验柜地面镜像件上拍摄到的冷原子云

为什么要追求如此极致的低温？

科学家不会为了刷纪录而刷纪录。对物理学家来说，极低温是一个“工具”——温度越低，原子运动越慢，原本藏在微观世界里的量子效应才更容易显现出来。

通俗地说，常温下原子在不停碰撞、振动，像一群乱跑的人；温度降下来，原子运动变慢，到了极低温、密度又足够高时，会出现玻色-爱因斯坦凝聚等宏观量子现象。此时，所有原子“齐声歌唱，步调一致”，像一支整齐划一的“仪仗队”，科学家便能更清楚地观测和操控它们。

也正因为如此，向绝对零度迈进，成了物理学界持续百余年的挑战。在这条路上，相关成果5次获得诺贝尔物理学奖，每一次都是通过新的技术方案把温度降低几个数量级，也让新的量子现象逐步显现。

但要把原子冷到这个程度，地面上很难做到。

跟随“梦天”升空的“超级冰箱”

地面上有一个绕不开的对手：重力。原子会因为重力下坠，一旦运动就会变热。地面实验中，科学家用磁场或光场形成“陷阱”困住冷原子，再通过蒸发冷却降温。可重力会把原子从“陷阱”底部拉出，陷阱高度不能降得太低，温度也就受到限制。

2022年，中国空间站“梦天”实验舱成功发射，由上海光机所牵头研制的超冷原子物理实验系统随之升空。这正是一个能将温度极限降低的“超级冰箱”，同时也是一个全自动的“微型实验室”。在这个“冰箱”里，铷原子先被加热蒸发，释放出铷蒸汽；再借助磁光阱、光学黏团等技术进行初步冷却；随后利用两级交叉光阱技术进行蒸发冷却和深度冷却。

这与国际同行采用的“磁阱”路线不同。国际方案用原子芯片形成的微磁阱“囚禁”原子云，用射频蒸发冷却降低温度，最后用脉冲冲击进行深度冷却。2021年，德国不来梅大学团队在落塔微重力环境中将铷原子云等效温度降至38皮开尔文；2022年，国际空间站冷原子实验室利用相似技术实现了52皮开尔文。

“中国方案”最终把这一纪录下探到9.7皮开尔文。这条路难度更大，但优势明显：全光阱在空间环境中更易实现多光束精确控制，对磁场干扰不敏感，对多种量子模拟实验具有兼容性，工程可靠性与科学扩展性更具优势。

超冷原子物理实验柜

15年磨一剑，终获突破

这项成果不是一蹴而就。

中国空间站超冷原子物理实验柜项目由中国科学院空间应用工程与技术中心牵头论证管理集成，北京大学与中国科学院上海光学精密机械研究所联合完成。项目从2011年开始论证，到2022年研制成功、随“梦天”舱发射，到如今取得重大突破，已历时15年。

光是工程集成难度就令人咋舌。为了符合航天载荷要求，约20立方米、重10吨的地面实验系统，要集成到0.7立方米、重0.5吨的实验柜中，相当于把一间房子大的实验系统压缩到一个冰箱大小，把一头鲸鲨“瘦身”成一只熊。为了达成这一目标，团队完成了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、高精度集成物理光机等关键技术攻关。

论文共同第一作者、上海光机所研究员李唐举例，实验柜里24路激光要馈入到科学腔，激光对准误差要小于5微米，“基本上每根头发丝代表一个光路，需要把这些头发丝交叉到一个点上，交叉偏离只能是头发丝的十分之一”。

过程里还有不少“生死关头”。2021年底，实验柜进入正样研制阶段，但在上海光机所多次实验都没有出现玻色-爱因斯坦凝聚，也就是BEC。BEC是冷却的第一步，做不出来，后面的深度冷却无从谈起，也会影响“梦天”舱载荷集成和发射任务。好在2022年1月8日凌晨3点多，让人魂牵梦绕的BEC终于出现。

超低温下原子达到玻色-爱因斯坦凝聚态

到2022年3月底，离交付只剩一个月左右，疫情之下，上海光机所决定核心人员封闭攻关。人员分成两班，人停机不停，24小时连续进行物理实验验证、软硬件测试和集成。北大团队的熊炜、金圣杰常驻上海，两人住一个宿舍，却几乎碰不上面——一个白天忙，另一个就把夜熬穿。

大家还笑着回忆起，上海光机所一位团队成员家里的小狗没人照顾，只能带到所里拴在楼后；实验做不出来、工程找不出原因时，大家就下楼遛狗，结果“一天被遛好几遍”的小狗成了整个组的“编外成员”。

科研背后，少不了“板凳甘坐十年冷”的坚韧和毅力。论文共同第一作者、北京大学助理研究员熊炜从2016年开始做这个项目，到今年整整十年，在这十年里他几乎没有成果，现在还是助理研究员。当被问起来，他的回应很简单：“做不出来就做不出来，做不成我再试一次。”

这项纪录，和我们有什么关系？

最冷的地方，燃烧着最热的科学梦想。中国科学家在空间站上把温度降到了人类已知的最低点，也打开了一扇通往量子世界的新的大门。

在基础研究方面，这项成果将帮助解决极低温下量子气体的相变、非平衡动力学、量子多体关联、低维量子物理等基础物理问题，推动对早期宇宙模拟、超轻暗物质探测等前沿课题的研究。

在应用方面，超低温原子可用于更高精度的原子干涉仪、量子传感器和空间时频基准，服务于地球重力场测量、惯性导航及基本物理常数检验。

李唐从一个最贴近的角度切入举例：“比如空间时频基准进一步精确后，大家会发现导航定位更准了，在此基础上也可以实现真正的自动驾驶。”他还说，有了这样的助力，未来可以测量地球的重力场、磁场，加深对地球环境和气候变化的理解；也可以用它去研究宇宙，看看暗物质、暗能量到底存不存在，甚至直接检验爱因斯坦的广义相对论是否成立等等。

《科学》审稿人评价：“该工作成果是超冷原子精密操控的重要里程碑。对基础物理研究及空间导航、地球观测等应用有重要价值，刷新了超低温膨胀的最高纪录。”

中国载人航天工程空间应用系统总设计师、中国科学院空间应用中心副主任吕从民说：“我们中国科学家联合工程团队15年磨一剑，完成了从基础研究到工程实现的跨组织、体系化攻关，取得国际最好指标。此次实验结果超越了国际同行，这表明目前我国已达到国际冷原子物理相关实验技术一流水平。”

“绝对零度永远不可到达，但人类迈向它的脚步，永远不会停歇。欢迎大家到中国空间站的超冷原子物理实验柜开展实验研究，共享实验机会，共同为人类科技进步作出新的贡献。”吕从民说。

来源：北京新闻广播