很多人以为宇宙深处天然最冷,可眼下人类造出的最冷物质,诞生在中国空间站。历时十五年接续攻关,中国科研团队依托空间站里被称作“超级冰箱”的超冷原子物理实验柜,将铷原子云冷却至9.7皮开尔文,刷新人造物质低温世界纪录,相关成果刊发在国际顶刊《科学》。不少人看到这个数字第一反应就是好奇,创下这个极低温纪录,究竟能带来什么价值。
很多人看不懂9.7皮开尔文到底有多冷。我们日常用的摄氏度,零下273.15℃就是绝对零度,这是理论上的温度下限,物理规则决定我们永远没法真正摸到它,只能一点点靠近。开尔文是科研里专用的温度单位,0开尔文刚好就是零下273.15℃。1皮开尔文,等于一万亿分之一开尔文。这次造出的9.7皮开尔文,距离零下273.15℃只差一点点,冷到原子几乎不再乱跑。室温环境下铷原子几秒就能跑出两公里,而空间站这团超冷原子云中,7秒观测周期内原子运动幅度不超过500微米,几乎静止,平时转瞬即逝的量子效应,终于可以稳定捕捉。此前美国空间站冷原子实验室创下52皮开尔文的标杆,这次我国采用三维全光阱两级冷却方案,直接把纪录拉开差距。
想要在太空实现极低温,最大的难题不是冷却原理,而是整套设备的太空适配。地面一套同类实验室体积超过30立方米、重达数吨、功耗几千瓦。空间站的空间、电力、载重资源都十分紧张,无法直接搬运地面设备。科研团队接连攻克全光纤激光、超高真空长期保压、高精度隔振等工程难关,把整套实验系统压缩到不足1立方米、重量约300公斤、功耗仅700瓦,完成大型实验室的太空微型化改造。
微重力是这次突破不可或缺的条件。在地球地面,重力会快速拉扯原子云坠落,留给科学家的观测时间极短。空间站的微重力环境,能让超冷原子云悬浮漂浮,拿到长达7秒的稳定观测窗口。这套平台可以复现爱因斯坦预言的玻色‑爱因斯坦凝聚,也就是物质第五态,用来研究量子相变、多体相互作用这些地面很难看清的基础物理问题,帮助科学家模拟早期宇宙环境,寻找暗物质存在的线索,检验广义相对论。
这项成果不只是纸面的科研突破,它的实用价值藏在精密测量技术里。被冷却到极致的原子,可以打造灵敏度极高的量子传感器与原子干涉仪。它灵敏到可以感知十米外一公斤物体带来的微弱引力扰动,能够给地球做引力CT,勘探地下矿体、地下水和地质构造,对地质灾害监测、资源勘探都有帮助。它还能发展出不依赖卫星信号的惯性导航,就算卫星信号中断,也能自主定位导航,为深空探测、特种航行提供支撑。
这套超冷原子柜本身定位成开放共享的太空实验平台,采用模块化设计,地面可以远程发送指令切换实验模式,未来还会面向全球征集科学项目,持续产出新的科研数据。从项目论证到在轨拿到世界纪录,十五年的时间,代表我国已经完整打通从理论攻关、设备研制到太空实验产出重大成果的全链条,补齐了空间量子物理的关键硬件短板。
当然,9.7皮开尔文远不是探索的终点。向着绝对零度的探索没有天花板,未来还有继续向下突破的空间。对普通人来说,极低温的数字看着遥远,但它背后的量子精密技术,会慢慢转化成更可靠的导航、更精准的地质探测手段。这场向着宇宙低温极限的冲刺,本质上是在为下一代前沿科技铺路。