科技日報記者  劉霞

量子物理學(xué)家即將在太空擁有自己的“游樂場”。據(jù)英國《自然》雜志官網(wǎng)8日消息，美國國家航空航天局（NASA）的冷原子實驗室（Cold Atom Laboratory）將于5月20日發(fā)射升空，進(jìn)入國際空間站。

屆時，它將成為已知宇宙中最冷的地方，研究人員將使用它探測在地球上無法觀察到的量子現(xiàn)象，在太空制造“泡泡”、“環(huán)”和“漩渦”等，以前所未有的方式“玩轉(zhuǎn)”量子力學(xué)。

研究人員指出，這有可能促使科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新物理學(xué)，推進(jìn)前沿物理學(xué)的發(fā)展。

該實驗室由NASA的噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）負(fù)責(zé)。研究人員稱，冷原子實驗室耗資8300萬美元，主要目標(biāo)是通過制造出名為“玻色—愛因斯坦凝聚體（BEC）”的獨特“超流體”物質(zhì)態(tài)，從而供科學(xué)家研究宏觀尺度上的量子力學(xué)。

BEC是數(shù)十萬個原子組成的云，當(dāng)被冷卻到絕對零度附近時，數(shù)十萬個原子的行動保持同步，就像單一的量子物體一樣。該任務(wù)項目經(jīng)理、噴氣推進(jìn)實驗室的卡姆爾·奧德瑞接受《自然》雜志采訪時自豪地表示：“我認(rèn)為，能夠在太空進(jìn)行這些實驗是一項巨大的成就?！?/p>

在地球上，一般情況下，重力在幾秒鐘之內(nèi)就會讓BEC分崩離析。但如果BEC漂浮在國際空間站上，它們應(yīng)該能“存活”至少10秒鐘。這一時間足夠讓它們被冷卻到創(chuàng)紀(jì)錄的低溫——可能只比絕對零度高20萬億分之一攝氏度。

奧德瑞說，這將是宇宙中已知最冷的溫度。美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）的原子物理學(xué)家格雷琴·坎貝爾說，更冷且更“長壽”的BEC將“推動前沿基礎(chǔ)物理領(lǐng)域的研究，15年來，科學(xué)家一直期盼會產(chǎn)生新物理學(xué)。” 

國際空間站可謂“寸土寸金”之地，所以聰敏如NASA的工程師不得不縮減原子物理設(shè)備的大小，將填滿一個大房間的設(shè)施“壓縮”到一個冷藏箱大小的箱子內(nèi)。

所謂“濃縮的都是精華”，該冷原子實驗室擁有激光器、真空室和一把無線電波“刀”。首先，激光會冷卻銣和鉀原子，使它們幾乎停滯不動；然后，磁場捕捉原子云；使用其他冷卻技術(shù)——包括無線電波“刀”來剝離能量最高的原子等，將原子云冷卻到更接近絕對零度的溫度，從而創(chuàng)造出BEC。

NASA冷原子實驗室內(nèi)，激光器和其他技術(shù)將原子冷卻到絕對零度附近。來源：英國《自然》雜志官網(wǎng)

此外，工程師還必須設(shè)計屏蔽層，以保護(hù)脆弱的BEC免受密集組件和不斷變化的地球磁場的干擾。而且，實驗只有在國際空間站上的科研人員睡覺之后才運行，以盡量減少任何運動可能造成的干擾。

研究人員稱，目前的設(shè)備比最初設(shè)想的要簡單——因為更復(fù)雜的實驗室版本出現(xiàn)了一個問題，影響了真空室并導(dǎo)致項目可能延期，這就使得物理學(xué)家暫時無法實現(xiàn)他們的最終目標(biāo)：在太空進(jìn)行原子干涉測量——將BEC的量子波分成兩部分并重新組合，得到的干涉圖案讓科學(xué)家可以以更精確的精度分析重力產(chǎn)生的影響；以及測試BEC是否可用作高度靈敏的旋轉(zhuǎn)和重力傳感器。

不過，該任務(wù)科學(xué)家、JPL的羅伯特·湯普森說，更高級的套件應(yīng)該會在2019年底到達(dá)國際空間站。

湯普森說，盡管裝備不足，但物理學(xué)家仍然可因陋就簡，就目前的情況發(fā)現(xiàn)新物理學(xué)。屆時，五支研究團(tuán)隊將使用這一實驗室進(jìn)行實驗。