宇宙最冷點！中國空間站造出人類已知最冷人造物質

（香港文匯報記者 劉凝哲 北京報道）零下273.15攝氏度，是物理學定義的絕對零度，吸引全世界科學家百年來不斷奔赴的溫度極限。如今，中國空間站的「超級冰箱」裏，人類距離這個極限又近了一大步。

中國科學家在空間站夢天艙超冷原子物理實驗櫃中，把銣原子雲冷卻至9.7皮開爾文（pK），比室溫低14個數量級，並可持續觀測7秒，誕生目前人類已知最冷人造物質。該項工作成果論文於11月6日在線發表於國際期刊《科學》（Science）。這有助於科學家研究前沿物理問題，開展精密測量、量子計算、量子模擬等領域的研究應用。

「2017年，美國記者寫過標題，說宇宙中最冷的那個點，在NASA的冷原子實驗室（CAL），但今天站在這裏，我想說，宇宙中最冷的點，應該在中國的空間站。」在中國科學院空間科學與應用總體部舉行中國空間站成果發布會上，北京大學電子學院教授周小計說。

2018年5月，美國國家航空航天局（NASA）把冷原子實驗室送上國際空間站，這是人類首個在軌運行的超冷原子設施。2021年，德國不來梅大學在落塔微重力環境下降至38皮開爾文；2022年，CAL在國際空間站上將銣原子雲等效溫度降至52皮開爾文。

最冷，究竟意味着什麼？

原子在永不停歇地做無規則熱運動，溫度的降低意味着運動速度的減慢。只有降低至接近絕對零度（即零下273.15攝氏度，編者註）時，原子才被「凍」到幾乎靜止。當原子溫度被降低至納開爾文量級甚至更低、且密度足夠高時，它會呈現玻色—愛因斯坦凝聚（BEC）等宏觀量子現象——原子們不再無規則地亂跑，而形成了一支整齊劃一的「儀仗隊」。這有助於科學家研究前沿物理問題，開展精密測量、量子計算、量子模擬等領域的研究應用。

向絕對零度邁進，是物理學界持續百餘年的挑戰。在這條探索道路上，低溫研究和冷卻技術的相關成果，至少5次獲得諾貝爾物理學獎。周小計說，「在空間站的微重力環境，可以在低於1赫茲的阱中捕獲到原子，從而為我們開展極低溫原子的量子模擬和量子精密測量提供了可能。」

該項目由中國科學院空間應用工程與技術中心牽頭論證管理集成、北京大學與中國科學院上海光學精密機械研究所聯合完成。據香港文匯報記者跟進了解，中國空間站超冷原子物理實驗櫃項目從2011年開始論證，到2022年研製成功、隨夢天艙發射，如今取得重大突破，歷時15年。

歡迎世界各地科學家使用

其中，由上海光機所牽頭研製的超冷原子物理實驗系統，正是一個能將溫度極限降低的「超級冰箱」。論文共同通訊作者、上海光機所研究員陳衛標介紹，這一裝置能幫助解決極低溫下量子氣體的相變、非平衡動力學、量子多體關聯、低維量子物理等基礎物理問題，推動對早期宇宙模擬、超輕暗物質探測等前沿課題的研究；超低溫原子可用於更高精度的原子干涉儀、量子傳感器和空間時頻基準，服務於地球重力場測量、慣性導航及基本物理常數檢驗。

「中國科學家聯合工程團隊15年磨一劍，完成了從基礎研究到工程實現的跨組織、體系化攻關，取得國際最好指標。」中國載人航天工程空間應用系統總設計師、中國科學院空間應用工程與技術中心副主任呂從民表示，此次實驗結果超越國際同行，表明中國已達到國際冷原子物理相關實驗技術一流水平，歡迎世界各地科學家利用這台實驗櫃。

「在低溫量子領域，中國正在從全球的參與者、貢獻者，走向開拓者和引領者。」 周小計說。

換道超車尋「最低溫」 中國選了一條更難的路

中國科學家在中國空間站把銣原子雲冷到9.7皮開爾文，選的是一條與國際同行完全不同的技術路線。國際上，超冷原子在軌實驗的主流方案是「磁阱」—— 用原子芯片形成微磁阱「囚禁」原子雲，以射頻蒸發冷卻降溫，最後用脈衝衝擊深度冷卻。國際空間站上的冷原子實驗室（CAL）走的就是這條路，2022年將銣原子雲等效溫度降至52皮開爾文。

中國團隊選了「全光阱」——降低光強做蒸發冷卻，再以非絕熱擴散深度冷卻。為什麼這麼設計？論文共同通訊作者、北京大學教授陳徐宗解釋，在地面上進行原子冷卻時，原子雲被束縛在磁場或光場形成的偶極阱中，重力會把原子從容器底部拉出；而蒸發冷卻需要降低阱高，重力讓這種降低受到限制。在空間站微重力下，阱高可以降得很低，理論上保證了原子進入皮開爾文溫度區域。「我們在國際上提出兩級冷卻的方案，蒸發冷卻加非絕熱擴散冷卻，最終得到了10皮開爾文的最低溫度。」

多領域尖端技術集中實現

但是，這條路難度更大。微重力下光阱蒸發冷卻效率會降低，此前國際上沒有通過這一過程在軌製備凝聚體的先例。針對這一難題，團隊提出「梯度力輔助」新方案，實現了高效蒸發冷卻，獲得高純度凝聚體。極低溫原子實驗對振動等微小擾動尤為敏感，而在軌條件又限制了反覆調整；團隊通過光學、電學系統的精密設計與製造，保障了實驗所需的穩定性與調控精度。

論文共同第一作者、上海光機所研究員李唐說，工程上的挑戰在於，要在航天級嚴苛要求下把原子物理、激光技術、精密光學、超高真空、自動控制、航天工程等多領域尖端技術集中實現；如此複雜精密的儀器還須滿足高集成、低功耗、高可靠性要求，並通過航天級試驗，才能發射到空間站。