出品：科普中國

作者：中國科普博覽

監(jiān)制：中國科普博覽

編者按：為拓展認知邊界，科普中國前沿科技項目推出“未知之境”系列文章，縱覽深空、深地、深海等領域突破極限的探索成果。讓我們一起走進科學發(fā)現(xiàn)之旅，認識令人驚嘆的世界。

想象一下，如果我們能夠給原子“降溫”，讓它們變得幾乎靜止不動，那將會是一幅怎樣的景象呢？

今天，就讓我們一同踏上這場去太空給原子降溫的科普之旅，探索空間超冷原子物理實驗的奧秘。

溫度與原子：微觀世界的秘密

在日常生活中，我們總是通過感知溫度來判斷環(huán)境的冷暖。然而，在微觀世界里，溫度卻與原子的運動狀態(tài)息息相關。原子，作為構成物質的基本單位，它們無時無刻不在運動。溫度，實際上是一個統(tǒng)計概念，它反映了原子運動的能量，包括運動速度和勢能。溫度越低，原子的運動越慢，我們就越能長時間地觀察它們，從而更準確地測量它們的物理量。

原子

（圖片來源：veer圖庫）

原子的溫度，實際上是一個統(tǒng)計的概念，它是反應原子運動的一個能量，包括運動速度和勢能。在這個概念下進行一個統(tǒng)計意義的換算，也就是溫度越低、運動越慢、觀察原子的時間也就越長，我們后續(xù)來測物理量也就越準確。

激光“冷卻”原子：科學家的魔法

原子是粒子，當溫度達到絕對零度附近，原子幾乎不再運動，此時原子的波動性慢慢顯現(xiàn)出來。簡單來說，原子的運動速度和它的波長成反比，當原子的運動速度極小時，它的波長就擴大，達到數(shù)個原子半徑的量級，而當一小團原子都籠罩在這個波長范圍內(nèi)時，原子的行為就發(fā)生了根本的改變——它們處于一種新的凝聚態(tài)，不分彼此，仿佛如同一個巨大的原子一般統(tǒng)一行動，而不是各自為戰(zhàn)。這讓我們可以從原子團這種宏觀的尺度下研究單個原子量級的量子效應。

要想使得原子速度降低，最為先進的方法是采用激光“冷卻”原子。首先用激光光子轟擊原子以降低其運動速度，然后再用磁場約束原子的運動范圍，在少量運動速度快的原子離開了約束范圍后，剩下原子的平均運動速度又進一步降低，于是就得到了“超冷原子”。

這就像我們用手輕輕拍打一個飛速旋轉的陀螺，陀螺的旋轉速度會逐漸減慢一樣。然后，科學家們再用磁場將原子約束在一個小范圍內(nèi)，讓它們的運動更加有序。經(jīng)過這樣的處理后，原子們就像被施了魔法一樣，變得異常冷靜，這就是“超冷原子”。

原子密度達到一定程度時，發(fā)生了我們常見的除氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)外的另外一種變化——玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，它是人造的“第五態(tài)”，而在這個狀態(tài)下，我們可以觀察很多的物理現(xiàn)象，比如可以觀察原子內(nèi)部的很微觀的物理量。

微重力環(huán)境下的奇跡

然而，在地面上，重力常常會成為科學家們實現(xiàn)超冷原子的障礙。重力會破壞原子勢阱，限制原子溫度的繼續(xù)降低。為了突破這一限制，科學家們決定將實驗搬到太空去。在太空微重力環(huán)境下，重力的影響降低了約5個量級，這使得科學家們無需再補償重力勢，可以更容易地實現(xiàn)極低的原子溫度。

于是，一臺專門用于空間超冷原子物理實驗的裝置——超冷原子物理實驗柜誕生了。2022年10月31日，空間站夢天實驗艙從海南文昌發(fā)射場發(fā)射升空。超冷原子物理實驗柜隨夢天艙一起進駐中國空間站，開始了它的奇妙之旅。

超冷原子物理實驗柜

（圖片來源：中國科學院上海光學精密機械研究所）

在這個實驗柜里，科學家們能夠觀測到許多在地面上無法觀察到的物理現(xiàn)象，凝聚態(tài)的原子幾乎不再運動，也將給人們帶來研究原子結構，精細操控原子的可能，繼而為量子計算機的研制提供幫助。比如觀察原子內(nèi)部的微觀物理量，以及原子在極端條件下的行為變化。原子作為宏觀物質組成的基礎，它的量子效應將有助于我們探索微觀世界和宏觀世界的效應邊界。

探索未知：邁向量子世界的橋梁

去太空給原子降溫，這聽起來像是一場科幻電影中的情節(jié)，但實際上卻是科學家們正在進行的真實實驗。這場實驗不僅讓我們對微觀世界有了更深入的認識，也為人類未來的科技發(fā)展開辟了新的道路。想象一下，未來的某一天，我們能夠利用量子計算機解決現(xiàn)在無法想象的復雜問題，那將是多么令人振奮的事情！

來源: 中國科普博覽

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