中国空间站的超冷原子实验,又把低温纪录向前推进了一步:铷原子云的等效温度降到9.7皮开尔文,并能持续观测7秒。理解这项进展,要把“冷到什么程度”和“能观察多久”放在一起看。
11月6日,新华社从中国科学院获悉上述成果。这里的温度对应实验中的原子云,不能当成空间站舱内温度。此次进展提供的是研究量子现象的实验条件,并非面向日常制冷的产品。
光学实验装置资料图,非本次空间站实验。
9.7皮开尔文有多小
开尔文是温度单位,“皮”表示万亿分之一。9.7皮开尔文,写成小数是0.0000000000097开尔文,约为千亿分之一开尔文。它与日常天气预报里的9.7摄氏度,完全不是一个尺度。
绝对零度对应零下273.15摄氏度。此次结果仍高于绝对零度。把一个非常接近零的数四舍五入成零,再说“已经达到绝对零度”,就把测量结果改错了。
“等效温度”也不能漏掉。超冷原子研究关注原子云的运动和膨胀,科学家据此描述它的能量尺度。德国不来梅大学介绍此前相关研究时提醒,这类纪录不能直接照搬日常温度计的理解。可以先这样理解:原子云扩散得更慢,研究人员获得了更从容的观察机会。
为什么把实验搬到空间站
地面也能制造超冷原子,困难之一是原子云释放后会受重力影响,迅速下落。NASA对冷原子实验的介绍指出,微重力环境能延长自由演化和观测时间,让研究人员更细致地研究原子的行为。
因此,7秒这个观测窗口很重要。它给追踪微弱变化留下更多余地,也体现了在空间站开展基础物理实验的价值。这里说的微重力,并不等于太空没有重力。
为了利用这种环境,装置本身也经历了工程挑战。新华社报道,地面原本一间房屋大小、重达10吨的实验系统,被压缩成0.7立方米、0.5吨的空间科学实验设施。精密光学、超高真空、自动控制等技术,还要同时满足航天运行要求。
回到中国团队这次成果,采用的是全光阱冷却技术。相关工作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,论文发表于《科学》。
更冷、更久,最终用来做什么
超冷原子是研究微观世界的一类工具,可用于原子干涉、量子传感等精密测量探索。新的实验条件能帮助科学家研究更微弱的效应,但从基础研究走向成熟产品,仍需研发与验证,不能据此宣布手机导航马上更准。
这条新闻里,9.7皮开尔文让人直观感到技术在挑战极限;7秒则提醒我们,科学家还在努力把微观世界看得更清楚。两者相互配合,才构成这项成果的意义。