宇宙中最冷的地方

苗千

地球环境适合人类生存，允许液态水的存在，主要原因在于地球可以接收到太阳的照射，在地球内部有频繁运动，在表面又有大气层的保护。而在太空中缺少了这些必要条件，温度自然也就极低。根据物理学定律，绝对零度为零下273.15摄氏度（或者也可以记为0开尔文），这是一种在理论上无法达到的状态。即使是在看似空无一物的太空中的温度也要高于绝对零度，弥漫在宇宙中的宇宙微波背景辐射（Cosmic Microwave Background）让太空中的平均温度达到了2.725开尔文。那么宇宙中最冷的地方在哪里？要达到接近绝对零度的极低温度，需要精心设计，人类曾在地球表面的实验室中创造出已知的宇宙中的最低温度，而更低的温度，可能即将出现在地球轨道上的国际空间站（International Space Station）中，这也标志着人类探索物质本质的又一个进步。

美国物理学家埃里克·康奈尔（左）与美国科学家戴维·维恩兰德

人们常见的物质形态有固态、液态和气态等。实际上，在一些极端条件下，物质还会呈现出更多奇特的状态。例如，在极低的温度条件下，某些特定的原子就会呈现出一种在量子力学的描述中，更接近于“波”的状态。在20世纪20年代，印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose）和爱因斯坦做出预测，玻色子原子（遵守玻色统计，可以有多个原子处于同样能量状态的原子）在接近绝对零度的温度状态下，会呈现出一种气态的、超流性的物质状态，这种理想中的物质状态被称为玻色-爱因斯坦凝聚态（Bose–Einstein condensate）。在这种状态下，理论上玻色子原子因为处于极低的能量态，它们的波函数发生重合，从而可能展现出一种“宏观的量子态”——也就是说，在理论上两个处于玻色-爱因斯坦凝聚态的物质在一起，它们并不会发生融合，而是会像波一样发生干涉。

这种理论上的预测出现之后，很多物理学家都试着通过实验真正创造出这样的物质状态，然而其中最艰难的部分莫过于在实验室中创造出接近绝对零度的温度，因为在极低的温度状态下，任何扰动，或者是实验对象与周围环境的接触都可能造成实验失败。直到1995年，美国物理学家埃里克·康奈尔（Eric Cornell）在实验天体物理联合研究所（Joint Institute of Laboratory Astrophysics）的实验室中，首次把处于气态的铷原子冷却到只比绝对零度高出十亿分之一开尔文的极低温度，第一次观察到了玻色-爱因斯坦凝聚态。这远远低于人们已知的宇宙中其他任何位置的温度。因为这项实验成就，埃里克·康奈尔也与卡尔·威曼（Carl Wieman）和沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle）共同获得了2001年的诺贝尔物理学奖。

玻色-爱因斯坦凝聚态向人们展现出了物质在极端条件下的奇特行为，量子力学所描述的大多出现在微观世界的情形也在宏观条件下出现，向人们展示了物质本质的另一面。而探索并没有止步于此，人类对于低温的追求更是没有止境。下一步，在更低的温度条件下研究玻色-爱因斯坦凝聚态的实验将会出现在太空中。

想要在地球表面实现没有重力干扰的实验环境殊为不易。2007年，在德国不来梅应用空间科技与微重力中心，物理学家们从一个146米的高塔上扔下一个冷原子实验设备——在这个长达5秒钟的自由落体过程中，设备内部相当于处于没有重力的状态，在这个过程中实验设备内部达到了百亿分之五开尔文的低温。时至2017年1月23日，一个名为“QUANTUS”的合作试验项目在瑞典北部发射了一枚火箭，在距离地面240公里的高空中，长达6分钟的失重条件下，实验人员首次在太空中实现了玻色-爱因斯坦凝聚态。

在2018年，美国航空航天局（NASA）将会把一个价值7000万美元的冷原子实验室（Cold Atom Laboratory）发射升空至国际空间站，让地面上的科学家可以控制宇宙空间站内的设备进行低温试验。这个看起来只有冰箱大小的冷原子实验室正在由位于加州的喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）建造，目的正是要在太空中独特的低温和微重力环境中达到更低更稳定的试验温度，从而观测一些在地面上无法实现的物理现象。

在地面环境中，因为受到重力的影响，物质无可避免地要落向地面，因此物理学家们只能维持大约10～20微秒的玻色-爱因斯坦凝聚态进行观察，而在国际空间站的微重力条件下，冷原子实验室的项目科学家罗伯特·托马森（Robert Thompson）认为，玻色-爱因斯坦凝聚态将可以维持5～10秒的时间，而在经过调整和升级之后，科学家预计这种状态将可以维持上百秒——直到实验环境被外界过热的氣体所破坏。这将留给物理学家极大的自由度进行各种实验。

在太空中微重力的条件下，更容易实现更低的试验温度。冷原子实验室实际上可以被看成是一个发射激光的盒子：在接近真空的实验环境中，通过调制的固定频率的激光照射原子，使原子释放出光子，达到其最低能量状态，同时微波又可以像刀一样，不断将能量过高的原子隔除到实验环境之外，通过这样的手段就可以使众多原子共同达到极低温状态。在没有重力干扰的情况下，可以通过相比地面更微弱的磁场来限制原子的运动，而又不至于令其丢失。类似于热胀冷缩的原理，更微弱的限制也更容易达到更低的温度——通过这种手段有可能达到史无前例的低温。

冷原子实验室在国际空间站投入工作之后，在地球上将有5个研究小组对其遥控进行实验，其中就包括诺贝尔奖得主埃里克·康奈尔。玻色-爱因斯坦凝聚态作为一种宏观的量子物体，对于外界的任何干扰都会极其敏感，人类有可能利用它制作极为灵敏的传感器和钟表。另外冷原子实验室还将对费米子原子进行降温，模拟电子在固体中的行为，这可以帮助人们理解超导现象，人们还可以利用这种物质状态直接对引力进行测量，研究引力和暗能量的本质。宇宙空间和物质本质更深刻的秘密，有可能正是藏在太空之中。

（本文写作参考了《科学》杂志和美国航空航天局网站的报道）endprint