在宇宙中最冷有多冷？宇宙中最冷的地方竟然是这里

2018年，国际空间站是许多科学实验的基地，包括NASA的冷原子实验室。来源：美国国家航空航天局

你能想到的最冷的地方是哪里?南极洲冬天的气温能降低至-120ºF(-85ºC);在月亮的背面，温度能低至-280ºF(-173ºC)。但是在国际空间站的NASA冷原子实验室里，科学家们正在创造一种更冷的东西。

冷原子实验室(CAL)是第一个在轨道上制造“超冷原子云”的设施，这种“超冷原子云”的温度可超过绝对零度(-459ºF/-273ºC)几分之一度，达到物质可达到的绝对最低温度。自然界中没有任何东西能达到像CAL任务这样的实验室所能达到的温度，这意味着轨道设施通常就是宇宙中已知最冷的地方。

NASA于国际空间站的冷原子实验室通常是宇宙中已知最冷的地方。但是，为什么科学家要制造出比绝对零度还要低几分之一度的原子云呢?而且为什么他们要在太空中做这个实验?这当然是为了量子物理学。

自从于2018年5月21日在美国国家航空航天局(NASA)位于弗吉尼亚州的沃勒普斯(Wallops)飞行设施发射到空间站七个月后，CAL每日都在生产超冷原子。5个科学家团队将会在CAL任务在轨的第一年进行多个实验，其中3个实验已经开始。

为什么要将原子冷却到如此低的温度?室温下的原子通常像活跃的蜂鸟一样快速移动，但超冷原子的移动速度甚至比蜗牛还要慢。虽然具体情况各不相同，但超冷原子的移动速度可以比室温原子移动速度慢20多万倍。这也为我们研究原子、以及利用原子研究其他物理现象开辟了一条新的途径。CAL的主要科学目标是进行基础物理研究——试图在最基本的层面理解自然的运作。

加州帕萨迪纳市美国宇航局喷气推进实验室的冷原子物理学家、CAL任务科学家罗伯·汤普森说：“有了CAL的帮助，我们开始真正彻底了解原子在微重力环境下的行为，以及如何操作原子，还有在太空中操纵原子的系统与地球上我们使用的有什么不同，所有的这些知识都将为我所希望的太空冷原子科学的长远未来打下基础。”

地球上的实验室虽然同样可以制造出超冷原子，但是在地球上，重力会作用在冷却的原子云上，使原子云迅速下落，科学家们只有几分之一秒的时间来观察它们。科学家们可以用磁场来“捕获”原子并使其保持静止，但这种方法又限制了原子的自然运动。而在微重力环境下，冷原子云飘浮的时间要长得多，这让科学家们可以对它们的行为有更深入的了解。

制造冷原子云的过程从激光器开始，激光器通过减慢原子的速度来降低温度。随后无线电波会切除原子群体中温度最高的原子，进一步降低了平均温度。最后，这些原子从磁阱中被释放出来并膨胀，这导致了气压的下降，反过来又自然地导致了原子云温度的继续下降(同样的现象也会导致一罐压缩空气在使用后变冷)。而在太空中，云团的膨胀时间更长，因此达到的温度甚至比地球上能达到的温度还要低——比绝对零度低100亿分之一度，甚至可能更低。

地球上的超冷原子设备通常会占据一整个房间，在大多数情况下，硬件是暴露的，以便科学家可以在需要时调整设备。在太空建造一个冷原子实验室有几个设计挑战，其中一些挑战改变了这些设施的基本性质。首先是大小问题：CAL任务分两部分飞到国际空间站——第一部分是一个比迷你冰箱稍大一点的金属盒子，第二部分是一个手提箱大小的金属盒子。其次，CAL任务被设计为从地球远程操作，所以它是一个全封闭的设施。

CAL还采用了很多以前从未在太空中使用过的技术，比如装载原子的特殊真空舱，这些原子必须被密封得非常紧密，确保几乎不会有游离原子泄漏进来。该实验室还需要能够承受发射震动和在飞往空间站的飞行中所经历的极端力量。研究小组花了几年时间才开发出独特的硬件，以满足在太空中冷却原子的精确需求。

“系统的几个部分需要重新设计，一些部分以我们从未见过的方式损坏了，”喷气推进实验室天文、物理和空间技术理事会首席工程师、CAL项目经理罗伯特·肖特韦尔(Robert Shotwell)说。“设施不得不被彻底拆除，然后重新组装三次。”

自从2012年任务开始以来，所有的艰苦工作和问题攻克都将CAL团队的愿望在今年五月变成了现实。CAL任务团队成员通过视频直播与空间站宇航员Ricky Arnold和Drew Feustel就安装冷原子实验室进行通话，这是第二个在太空操作的超冷原子设备，同时也是第一个到达地球轨道、第一个在太空中停留的时间超过几分钟的超冷原子设备。在此过程中，CAL任务也满足了NASA设定的认为这是一次成功任务的最低要求，并为探索自然界的奥秘提供了一种独特的工具。

CAL任务由位于休斯顿的NASA约翰逊航天中心的国际空间站项目和位于华盛顿NASA总部的人类探索和操作任务理事会的太空生命和物理科学研究和应用(SLPSRA)部门赞助，在喷气推进实验室设计和建造。