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全宇宙中最“冷”的科学实验

你能想到的最冷的地方在哪里?

在冬季,南极洲的温度低至零下85℃;在月球的阴暗面,温度可达到零下173℃;自然界中已知最冷的物质是液氦,它的温度是零下269℃。

不过宇宙中有这样一个地方,它的温度比液氮还要冷得多,只比绝对零度(理论预言的物质能够达到的温度极低限)高十亿分之一度,这个地方就是位于国际空间站的冷原子实验室。顾名思义,冷原子实验室就是制造“超冷”原子云的地方。

不过,科学家们为什么要在太空中造出比绝对零度高出几十亿分之一度、甚至几百亿分之一度的原子云呢?这还要从最有名的物理学家爱因斯坦说起。

最冷条件下的新状态

1925年,爱因斯坦单独发表了一篇名为《理想气体的量子统计》的论文。在这篇论文中,爱因斯坦首次预言了玻色-爱因斯坦凝聚态,这是一种原子在极低温度下所达到的物质状态,在固态、液态、气态和等离子态之后,它被称为物质的第五种状态。为什么叫玻色-爱因斯坦凝聚态呢?这里有一个小故事。

通常,在我们的概念中,组成物质的粒子都是一个个单独的个体,它们都做着各自的不规则热运动,运动的大小和方向各不相同,这些粒子都处于不同的状态,也就是说,各个粒子是可以区分的。

然而,早在1924年,一位印度的数学物理学家玻色在研究光子统计的时候,就提出了一个想法,微观粒子存在彼此不可区分的情况,在得出这个想法之后,玻色马上写了一篇相关的论文。不过,由于当时的玻色是一个连博士学位都没有的无名科学家,没有期刊愿意登出他的论文。于是,玻色一气之下,直接把论文寄给了爱因斯坦。爱因斯坦看到玻色的论文非常激动,亲自将玻色的论文翻译成德语,并发表在德国的杂志上。后来,爱因斯坦在玻色理论的基础上提出了玻色-爱因斯坦凝聚态的现象。人们为了纪念两人对这种新状态的预言,便称它为玻色-爱因斯坦凝聚态。

讲了半天这个玻色-爱因斯坦凝聚态,它到底是怎么回事呢?

微观世界的粒子具有波粒二象性,也就是说,微观粒子不仅可以用粒子的术语来描述,还可以用波的术语来描述。以原子为例,原子既可以看成一个粒子,也可以看成是一个波。粒子运动的特性可以用动量(粒子质量和速度的乘积)来描述,粒子波动的特性可以用波长来描述,而动量和波长呈反比,即粒子的运动速度越慢,波长越长。同时,物质的温度来自于本身的热运动,如果粒子运动速度降低,温度自然就变低了。

一般情况下,原子和原子之间的距离都特别大,它们的动量也比较大。但随着原子运动速度越来越慢,即原子的温度越来越冷,原子就开始慢慢展现出自己波动的性质。我们可以把原子波长变长形象地比喻成原子变得越来越胖。当原子本身波长接近或者超过原子之间的距离之时,原子之间就开始“碰到”了,继续冷下去就变成了你中有我、我中有你,所有的原子就变成了一个整体,拥有一样的状态,即玻色-爱因斯坦凝聚态。处于这个状态的原子会有一些奇特的性质,而这些性质可以为我们研究原子或其他的物理现象提供一个新视角。

生产冷原子的“小盒子”

2018年5月21号,美国国家航空航天局(NASA)将一个差不多抽屉大小的小型设备——冷原子实验室(CAL)发往国际空间站(由16个国家共同参与管理),在发送成功后的7个月里,科学家们每天都通过远程操控的方式,生产着超冷原子,并观测着超冷原子的行为。该冷原子实验室由激光器、真空室和一把电磁“刀”组成,它利用了激光冷却和蒸发冷却两种技术。

接下来,我们分别了解一下这两种技术。

如果一个粒子朝我们飞来,我们该如何让它停下来?答案自然是对着粒子运动的方向施加一个力,让它减速。类似地,激光中的光子具有一定的动量,方向为光传播的方向,如果光子和原子(粒子)发生碰撞,也会产生一个力,让原子减速。由于原子的热运动是不规则的,我们不知道它具体的运动方向,因此,就需要用激光在各个方向上让原子减速,来降低它的温度。这就是激光冷却技术的原理。

虽然激光冷却技术可以将原子温度降到极低,但这个温度还不足以让原子达到玻色-爱因斯坦凝聚态。原子的进一步冷却就需要用到蒸发冷却技术,这个技术的基本原理类似于一杯热水的冷却。在人们喝水的时候,如果水太烫了,人就要吹一吹,让水变凉。由于分子在不停的运动,水的表面有一些速度大的分子(即能量高、比较热的分子)会脱离液态水分子集团,跑到空气中,这部分水分子变成了水蒸气,将水表面比较热的水蒸气分子吹跑,水杯中的水就凉下来了。类似地,蒸发冷却就是将原子云中比较热的原子移走(这部分原子能量较高,本身就容易逃离原子云),整个原子云的温度就会下降了。

实际上,利用这两种技术,地球上的实验室也可以产生超冷原子。但是在地面上,重力会作用于冷却的原子云,使它们迅速下落,原子云马上又热起来了。在这期间,科学家们能够观察玻色-爱因斯坦凝聚态原子云的时间只有几分之一秒。虽然磁场可以用来“捕获”原子云并使其保持静止,但是这样就观测不到凝聚态原子的自然运动行为了。因此,科学家们想在太空中生产冷原子,因为在太空的微重力下,冷原子云漂浮的时间要长得多,科学家们可以对凝聚态原子的行为有更深入的了解。

不过,一个能够送到太空中的冷原子实验室并不容易制作。通常,地球上的冷原子设备非常庞大,能占据一整间实验室,同时一些开关都暴露在外面,以便科学家们随时调整设备。首先,送往太空的最冷实验室体积要小;其次,科学家们只能在地球对它进行远程操作。实际上,科学家和工程师们在2012年就开始制作这个太空冷原子实验室了,但直到2018年,它才成功地被送到太空中。

改造未来的新材料

自玻色-爱因斯坦凝聚态被观测到以来,冷原子实验就备受关注,原因在于冷原子实验的结果可能会导致许多技术的发展,比如传感器、原子钟、干涉仪和量子计算机等。

以量子计算机为例,量子计算机的实现需要利用到量子效应。经典计算机中一比特只能处于1或0的两种二进制状态之一,那么,两个比特可以表示0、1、2、3四个数之一(二进制1、0为十进制的2,二进制1、1为十进制的3)。我们利用电路的断开和闭合来表示0和1,然后通过复杂的电路,让计算机完成复杂的运算。而基于量子力学规律的量子计算机基本存储单位是量子比特,相对于比特中存储的信息只能是0或1两种状态,由于量子处于叠加态,所以量子比特中存储的信息可能是1也可能是0,即量子比特存储的信息可以既是0又是1。因此,一个量子比特可以同时表示1和0两个数,两个量子比特可以同时表示0、1、2、3四个数。实际上,量子计算机可以通过冷原子在自身的基态和某一激发态(比基态高出特定能量的状态)之间的跃迁来表示0和1。而冷原子作为微观粒子,具有量子的叠加特性,即冷原子既可以处于基态也可以处于激发态。同时,冷原子的运动速度慢,能量低,与热原子相比有更加明确的能量状态(热原子可能处于的能量状态不只两种),因此,冷原子是一种很好的量子比特候选材料。

另外,冷原子实验还可以用来提高原子钟的精度。目前,我们对时间的定义是由铯原子所释放的光子频率决定的,如何确定这个频率就决定了时间的精确度。科学家们会让铯原子通过微波腔(微波腔可以发出特定频率的电磁波,并且研究人员可以调节电磁波的频率),当微波腔发出的频率和铯原子的光子频率相同时,就会产生共振,科学家们就可以确定铯原子的光子频率。然而,铯原子在常温下的平均速度约几百米每秒,通过微波腔的时间非常短,极大地限制了确定频率的稳定度。而太空中的冷原子运动速度被极大地降低了,通过微波腔的时间长了,精度自然也就提高了。原子钟的精度原先误差为1秒/300万年,冷原子钟的精度可以提高到1秒/3亿年,提高了2个数量级。

任何一个物理现象的背后都有着深远的现实意义,关键在于我们能否及时发现并应用。太空冷原子实验以及玻色-爱因斯坦凝聚态的研究必定会对物理学产生深远的影响,促进科学技术的进步。

拓展阅读:如何定义时间?

从物理学的角度,时间就代表了物体有规律的运动,比如:观察四季有规律的变化就有了年的概念,太阳的东升西落就代表了一天的时间概念。目前对时间“秒”的官方定义是铯原子的一个能级跃迁到另一个能级所释放电磁波的9192631770个周期所需的时间。

原子由原子核和电子组成,电子围绕原子核运动。但电子只能在特定的、分立的轨道上运动,这些轨道称为能层,各个轨道上的电子能量是不同的,这些能量值即为能级,能量越高的电子离原子核越远。当电子转换能级时,它们需要发出或吸收光子,光子的能量就等于能级之差。

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