9.7 皮开尔文是什么？在太空“冻”住原子：中国空间站刷新人造低温纪录

9.7皮开尔文。

昨天上午，中国科学院发布一项成果，中国科学家在空间站梦天实验舱制备出已知最冷物质，刷新了人类制造低温的纪录，相关论文发表于国际学术期刊《科学》。

相关论文发表于国际学术期刊《科学》

“皮开尔文”这词一出来，很多人第一反应是：每个字都认识，连在一起就满脸问号。别急，先把它翻译一下，这是一个离绝对零度只差一丢丢的温度。而绝对零度，正是理解这条新闻的第一把钥匙。

温度在微观层面，其实就是粒子热运动的“活跃度”。

原子平时坐不住，只要温度高于绝对零度，它们就在不停抖动、碰撞、乱跑，像一群永远在抖腿的人。温度越低，抖得越慢。理论上，当粒子热运动降到最低极限，就到了绝对零度，也就是0开尔文，约等于-273.15摄氏度。

宇宙温度指南，探索宇宙的温度范围，从绝对零度到人类迄今达到的最高温度

9.7皮开尔文，就是9.7×10⁻¹²开尔文。换算成摄氏度大约是-273.1499999999903℃。日常看，这跟-273.15℃几乎没区别；但在物理实验里，这一小截差距非常关键。

做个对比更直观，宇宙微波背景辐射大约2.7开尔文，星际空间里一些冷分子云也就是几开尔文到几十开尔文。9.7皮开尔文比宇宙微波背景辐射还要低大约2800亿倍。当然，这不是说宇宙里没有更冷的地方，而是说在“人类可控制造”的低温里，这团原子云已经冷得非常离谱。

中国空间站超冷原子实验

那为什么要费这么大劲把原子冻到“静音模式”？因为原子一抖，量子信号就被搅乱。温度越低，原子越安静；当温度逼近绝对零度，原子可以从各自乱跑变成步调一致，进入一种叫玻色—爱因斯坦凝聚态的状态。

这团9.7皮开尔文的原子云，不是一台为了破纪录而破纪录的“超级冰箱”，而是给物理学家搭了一个极其干净、极其安静的量子实验平台。

在地面做这件事，有一个很朴素的障碍：原子会掉下来。

重力会把原子云往下拽，地面类似实验的稳定观测时间通常只有0.05秒左右，刚够原子安静一下，还没来得及看清楚，就散了。

2022年11月3日在北京航天飞行控制中心拍摄的空间站梦天实验舱顺利完成转位的画面

太空的微重力环境把这个问题从根上拆掉了。原子近乎自由漂浮，只需要极弱的光学束缚就能完成冷却，温度能降得更低，观测窗口也从0.05秒拉长到了7秒。

7秒听起来不长，但对于追踪极低温下那些转瞬即逝的量子信号来说，已经是从“抓拍”变成了“小视频”。

超冷原子物理实验柜（Cold Atom Physics Rack），搭载于梦天实验舱，本实验依托该设备实现 9.7 皮开尔文超低温量子气体制备

这次实验还有一个技术上的“中国选择”。国际同行此前惯用的是磁阱方案，本次中国团队用的则是全光阱，用激光而不是磁场来“关”住原子。

整套地面实验系统原本占地20立方米、重10吨，被压缩成0.7立方米、0.5吨的实验柜，随梦天舱上了太空。换句话说，这不是把一台地面仪器搬上去，而是把一整套“冻原子”的手艺重新捏小了一遍。

冷到这种程度，最直接的用途是量子模拟。

超冷原子体系可以拿来模拟一些在地球上、在常规实验室里极难复现的物理过程，比如早期宇宙中的相变、量子多体系统的非平衡动力学，甚至为超轻暗物质探测提供实验思路。

用一团原子去“演”宇宙早期发生了什么，听起来像科幻，但底层逻辑是成立的。在合适条件下，超冷原子体系的集体行为可以和某些宇宙学模型共享等价的运动方程。

另一层离生活更近——超低温原子可以用来造更高精度的原子干涉仪、量子传感器和空间原子钟，服务于地球重力场测量、惯性导航和基本物理常数检验。

中国空间站

中国空间站此前已经实现了空间碱土金属原子的激光冷却，为高精度空间光学钟铺路；天宫二号时代的空间冷原子钟，预期达到三千万年误差一秒的量级。冷原子越“安静”，钟走得越准，导航和测地就越不容易飘。

但中国空间站并不只是一个巨大的低温实验室，它更像一个微重力特效棚，冷原子只是其中一条故事线。

在梦天舱的燃烧科学实验柜里，甲烷火焰内圆锥状火焰受扩散火焰包围，和地面上向上蹿的火苗完全两副面孔。研究它不是为了好看，一是搞清楚空间站防火的底层机理，二是帮地面燃烧系统优化理论模型。

问天舱里，水稻完成了国际上首次“从种子到种子”的全生命周期太空培养，后来还接着做多代繁育——说得浪漫一点，这是在为以后在月球或火星上“开饭”提前做功课。

冷原子、火焰、水稻，一个在逼近绝对零度，一个在研究火怎么烧，一个在太空让植物结籽。

天舟一号与天宫二号顺利完成自动交会对接，标志着中国正稳步迈向“空间站时代”

它们共享的是同一个前提：重力这个在地球上从来不被注意的“默认设置”，在太空里被关掉了。

关掉之后，很多被重力掩盖的现象才肯露头。9.7皮开尔文是这条逻辑线上目前最极致的一个结果，但远不是唯一一个。

图源 新华社 中国科学院 / 空间应用工程与技术中心 CSU Science官网 NASA's Goddard Space Flight Center/Scott Wiessinger