NASA欲制造宇宙中最冷的点：研究超冷原子

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据国外媒体报道，美国航空航天局（NASA）计划将一个小盒子送上国际空间站，并以此制造出宇宙中最冷的点。
这个盒子被称为冷原子实验室（Cold Atom Laboratory，CAL），具有激光器、真空室和一把电磁“刀”，能将气体原子的能量消除，使其保持在极低温的状态。一旦原子在冷原子实验室里降到足够低的温度，就会形成独特的“超流体”物质状态，称为玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensate）。



冷原子实验室由NASA的喷气动力实验室研发，现在已经进入最后的组装阶段。根据计划，这一装置将在8月份由SpaceX公司的CRS-12龙飞船送往国际空间站。
研究人员称，冷原子实验室可以将气体原子冷却到只比绝对零度高十亿分之一度的极低温度。“对这些超冷原子的研究将重塑我们对物质和引力基本性质的了解：”喷气动力实验室冷原子实验室项目科学家罗伯特·汤普森（Robert Thompson）说，“用冷原子实验室所做的实验将使我们更深入认识引力和暗能量——宇宙中最为普遍的几种作用力。”
在这样极端的低温下，气体原子会处于玻色-爱因斯坦凝聚状态。在这一状态下，冷原子呈现为速度为0的“超流体”，它们可以毫无摩擦地移动，就像一整块固体物质一样。其次，这些原子看起来更像是波而不是粒子，因为成列的原子互相移动时会呈现出“神秘的波形”。不过，在此前的研究中，这些现象还从未在冷原子实验室将达到的低温中被观察到。
NASA也从未在太空中实现或观察到这些现象，而如果是在地球上，重力的影响意味着这些现象的观察只能进行极短的时间，甚至不到1秒。在国际空间站的微重力环境中，超冷原子能保持更长时间的波形，使科学家有机会从容地观察它们的行为。
研究人员预计，冷原子实验室将使玻色-爱因斯坦凝聚有5到10秒钟的观察时间，未来或许可以达到数百秒时间。
“如果你把超流体水倒进杯子里然后转动，这些水就会永远旋转下去，”冷原子实验室项目管理人员安妮塔·森古普塔（Anita Sengupta）说：“没有摩擦力使它慢下来或者消耗动能。如果我们能进一步理解超流体的物理学性质，或许就能进行更加高效的能量传递。”
一共有5个研究团队计划利用冷原子实验室进行实验，包括科罗拉多大学博尔德分校的埃里克·康奈尔（Eric Cornell）团队，以及美国国家标准技术研究所的一个团队——1995年一位诺贝尔奖得主在该实验室制造出了玻色-爱因斯坦凝聚。
如果实验成功，科学家将有望开发出更加先进的传感器、量子计算机和用于太空导航的原子钟。此外，这些实验还将为暗能量的研究提供线索。
“即使是拥有一切现有的技术，我们依然对95%的宇宙一无所知，”冷原子实验室项目的管理人员Kamal Oudrhiri说：“就像伽利略第一台望远镜里的新镜片，冷原子实验室里的超冷原子具有巨大的潜力，能帮助我们解开许多目前已知物理学都无法回答的谜题。”
冷原子实验室目前正在进行一系列测试，并准备运往卡纳维拉尔角。喷气动力实验室测试方面的负责人戴夫·阿夫利纳（Dave Aveline）说：“接下来几个月里的地面测试非常关键，将确保我们可以在它处于太空时进行远程操作和微调，并在接下来几年里从中获取丰富的原子物理学信息。”