宇宙中最冷的地方

苗千

地球環(huán)境適合人類生存，允許液態(tài)水的存在，主要原因在于地球可以接收到太陽(yáng)的照射，在地球內(nèi)部有頻繁運(yùn)動(dòng)，在表面又有大氣層的保護(hù)。而在太空中缺少了這些必要條件，溫度自然也就極低。根據(jù)物理學(xué)定律，絕對(duì)零度為零下273.15攝氏度（或者也可以記為0開爾文），這是一種在理論上無法達(dá)到的狀態(tài)。即使是在看似空無一物的太空中的溫度也要高于絕對(duì)零度，彌漫在宇宙中的宇宙微波背景輻射（Cosmic Microwave Background）讓太空中的平均溫度達(dá)到了2.725開爾文。那么宇宙中最冷的地方在哪里？要達(dá)到接近絕對(duì)零度的極低溫度，需要精心設(shè)計(jì)，人類曾在地球表面的實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出已知的宇宙中的最低溫度，而更低的溫度，可能即將出現(xiàn)在地球軌道上的國(guó)際空間站（International Space Station）中，這也標(biāo)志著人類探索物質(zhì)本質(zhì)的又一個(gè)進(jìn)步。

美國(guó)物理學(xué)家埃里克·康奈爾（左）與美國(guó)科學(xué)家戴維·維恩蘭德

人們常見的物質(zhì)形態(tài)有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)等。實(shí)際上，在一些極端條件下，物質(zhì)還會(huì)呈現(xiàn)出更多奇特的狀態(tài)。例如，在極低的溫度條件下，某些特定的原子就會(huì)呈現(xiàn)出一種在量子力學(xué)的描述中，更接近于“波”的狀態(tài)。在20世紀(jì)20年代，印度物理學(xué)家薩特延德拉·納特·玻色（Satyendra Nath Bose）和愛因斯坦做出預(yù)測(cè)，玻色子原子（遵守玻色統(tǒng)計(jì)，可以有多個(gè)原子處于同樣能量狀態(tài)的原子）在接近絕對(duì)零度的溫度狀態(tài)下，會(huì)呈現(xiàn)出一種氣態(tài)的、超流性的物質(zhì)狀態(tài)，這種理想中的物質(zhì)狀態(tài)被稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)（Bose–Einstein condensate）。在這種狀態(tài)下，理論上玻色子原子因?yàn)樘幱跇O低的能量態(tài)，它們的波函數(shù)發(fā)生重合，從而可能展現(xiàn)出一種“宏觀的量子態(tài)”——也就是說，在理論上兩個(gè)處于玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的物質(zhì)在一起，它們并不會(huì)發(fā)生融合，而是會(huì)像波一樣發(fā)生干涉。

這種理論上的預(yù)測(cè)出現(xiàn)之后，很多物理學(xué)家都試著通過實(shí)驗(yàn)真正創(chuàng)造出這樣的物質(zhì)狀態(tài)，然而其中最艱難的部分莫過于在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造出接近絕對(duì)零度的溫度，因?yàn)樵跇O低的溫度狀態(tài)下，任何擾動(dòng)，或者是實(shí)驗(yàn)對(duì)象與周圍環(huán)境的接觸都可能造成實(shí)驗(yàn)失敗。直到1995年，美國(guó)物理學(xué)家埃里克·康奈爾（Eric Cornell）在實(shí)驗(yàn)天體物理聯(lián)合研究所（Joint Institute of Laboratory Astrophysics）的實(shí)驗(yàn)室中，首次把處于氣態(tài)的銣原子冷卻到只比絕對(duì)零度高出十億分之一開爾文的極低溫度，第一次觀察到了玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于人們已知的宇宙中其他任何位置的溫度。因?yàn)檫@項(xiàng)實(shí)驗(yàn)成就，埃里克·康奈爾也與卡爾·威曼（Carl Wieman）和沃爾夫?qū)た颂乩眨╓olfgang Ketterle）共同獲得了2001年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)向人們展現(xiàn)出了物質(zhì)在極端條件下的奇特行為，量子力學(xué)所描述的大多出現(xiàn)在微觀世界的情形也在宏觀條件下出現(xiàn)，向人們展示了物質(zhì)本質(zhì)的另一面。而探索并沒有止步于此，人類對(duì)于低溫的追求更是沒有止境。下一步，在更低的溫度條件下研究玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的實(shí)驗(yàn)將會(huì)出現(xiàn)在太空中。

想要在地球表面實(shí)現(xiàn)沒有重力干擾的實(shí)驗(yàn)環(huán)境殊為不易。2007年，在德國(guó)不來梅應(yīng)用空間科技與微重力中心，物理學(xué)家們從一個(gè)146米的高塔上扔下一個(gè)冷原子實(shí)驗(yàn)設(shè)備——在這個(gè)長(zhǎng)達(dá)5秒鐘的自由落體過程中，設(shè)備內(nèi)部相當(dāng)于處于沒有重力的狀態(tài)，在這個(gè)過程中實(shí)驗(yàn)設(shè)備內(nèi)部達(dá)到了百億分之五開爾文的低溫。時(shí)至2017年1月23日，一個(gè)名為“QUANTUS”的合作試驗(yàn)項(xiàng)目在瑞典北部發(fā)射了一枚火箭，在距離地面240公里的高空中，長(zhǎng)達(dá)6分鐘的失重條件下，實(shí)驗(yàn)人員首次在太空中實(shí)現(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。

在2018年，美國(guó)航空航天局（NASA）將會(huì)把一個(gè)價(jià)值7000萬美元的冷原子實(shí)驗(yàn)室（Cold Atom Laboratory）發(fā)射升空至國(guó)際空間站，讓地面上的科學(xué)家可以控制宇宙空間站內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行低溫試驗(yàn)。這個(gè)看起來只有冰箱大小的冷原子實(shí)驗(yàn)室正在由位于加州的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory）建造，目的正是要在太空中獨(dú)特的低溫和微重力環(huán)境中達(dá)到更低更穩(wěn)定的試驗(yàn)溫度，從而觀測(cè)一些在地面上無法實(shí)現(xiàn)的物理現(xiàn)象。

在地面環(huán)境中，因?yàn)槭艿街亓Φ挠绊懀镔|(zhì)無可避免地要落向地面，因此物理學(xué)家們只能維持大約10～20微秒的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)進(jìn)行觀察，而在國(guó)際空間站的微重力條件下，冷原子實(shí)驗(yàn)室的項(xiàng)目科學(xué)家羅伯特·托馬森（Robert Thompson）認(rèn)為，玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)將可以維持5～10秒的時(shí)間，而在經(jīng)過調(diào)整和升級(jí)之后，科學(xué)家預(yù)計(jì)這種狀態(tài)將可以維持上百秒——直到實(shí)驗(yàn)環(huán)境被外界過熱的氣體所破壞。這將留給物理學(xué)家極大的自由度進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)。

在太空中微重力的條件下，更容易實(shí)現(xiàn)更低的試驗(yàn)溫度。冷原子實(shí)驗(yàn)室實(shí)際上可以被看成是一個(gè)發(fā)射激光的盒子：在接近真空的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，通過調(diào)制的固定頻率的激光照射原子，使原子釋放出光子，達(dá)到其最低能量狀態(tài)，同時(shí)微波又可以像刀一樣，不斷將能量過高的原子隔除到實(shí)驗(yàn)環(huán)境之外，通過這樣的手段就可以使眾多原子共同達(dá)到極低溫狀態(tài)。在沒有重力干擾的情況下，可以通過相比地面更微弱的磁場(chǎng)來限制原子的運(yùn)動(dòng)，而又不至于令其丟失。類似于熱脹冷縮的原理，更微弱的限制也更容易達(dá)到更低的溫度——通過這種手段有可能達(dá)到史無前例的低溫。

冷原子實(shí)驗(yàn)室在國(guó)際空間站投入工作之后，在地球上將有5個(gè)研究小組對(duì)其遙控進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中就包括諾貝爾獎(jiǎng)得主埃里克·康奈爾。玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)作為一種宏觀的量子物體，對(duì)于外界的任何干擾都會(huì)極其敏感，人類有可能利用它制作極為靈敏的傳感器和鐘表。另外冷原子實(shí)驗(yàn)室還將對(duì)費(fèi)米子原子進(jìn)行降溫，模擬電子在固體中的行為，這可以幫助人們理解超導(dǎo)現(xiàn)象，人們還可以利用這種物質(zhì)狀態(tài)直接對(duì)引力進(jìn)行測(cè)量，研究引力和暗能量的本質(zhì)。宇宙空間和物質(zhì)本質(zhì)更深刻的秘密，有可能正是藏在太空之中。

（本文寫作參考了《科學(xué)》雜志和美國(guó)航空航天局網(wǎng)站的報(bào)道）endprint