9.7皮开尔文！最冷的纪录，最热的接力：中国科学家如何在空间站改写低温纪录

近日，中国科学院空间应用工程与技术中心举行中国空间站成果发布会，宣布在空间站超冷原子物理实验柜中，中国科学家率先利用全光阱冷却技术，成功将铷原子云的等效温度降至9.7皮开尔文，较室温降低了14个数量级，并可持续观测7秒。

11月6日凌晨，国际学术期刊《科学》在线发表论文《太空中低于10皮开尔文的量子气体》，给出了这一结果的完整记录：在中国空间站梦天舱里，约两万个铷原子被冷却到这个等效温度；撤去束缚后，这团原子云自由膨胀了7秒，仍能被稳定观测。

这组数字刷新了国际同行2021年创造的38皮开尔文纪录，也成为目前已知最冷的人造物质。

发布会结束后，大众新闻记者采访了论文共同第一作者、中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部副部长、研究员李唐。他讲这项成果，总要先把人拉回到最朴素的物理图像里：一个从面前跑过的小朋友，一头要装进冰箱的大象，一部从“大哥大”长成手机的电话机。

“一个从面前跑过的小朋友” 

——让原子慢下来，才看得清

“绝对静止是不可能的。”李唐一开口，先纠正一个常见的误解，“就像一个小朋友，你不可能永远让他站在那里一动不动。原子也一样，只会动得多一点，或者动得少一点。”

他把场景拉到眼前：“你观察一个小朋友，如果他以百米速度从你面前跑过去，你只能看到一道残影，看不清楚；如果他以很慢的速度走过来，你就能观察得很清楚。我们希望原子慢下来、温度降下来，就是为了把它看清楚。”

温度的本质，是原子的热运动。原子跑得越慢，温度越低。当一团原子被冷却到接近绝对零度，原子的物质波彼此重叠，会进入玻色—爱因斯坦凝聚态：原本各跑各的原子，像一支整齐列队的仪仗队，用同一种节奏整体行动。

“不是一颗原子，是一团原子，是一个原子系统。”李唐对记者强调，“温度高了，热运动会破坏它的量子特性，带来额外的噪声。我们把它降得很低，就是要把这些‘不好的特性’去掉，让量子特性非常纯粹地呈现出来。”

难的是，地面上做不到这么冷。重力会把原子云从束缚它的“容器”边缘拉出去，想让原子不漏出去就得加更强的束缚，而更强的束缚又带回多余的能量。

北京大学电子学院教授陈徐宗表示，地面上的自由演化只能维持约0.05秒。到了空间站的微重力环境，原子云自在漂浮，只需极弱的束缚，就能一步步逼近那个温度下限。

9.7皮开尔文是什么概念？室温约300开尔文，两者相差14个数量级，也就是千亿分之一开尔文。“确实很难表达。”李唐说。

发布会上，中国科学院空间应用工程与技术中心党委副书记、纪委书记王秀全打过一个比方：如果把室温比作中国一年的GDP总量，9.7皮开尔文就相当于口袋里的一块钱。他补了一句，这个比方不太准确，但比较形象。

“一头要装进冰箱的大象”

——压缩三十倍，把“大象”装进冰箱

“把大象装进冰箱，不是把冰箱门打开、把大象塞进去、再把门关上那么容易。”李唐说，“你把大象分割了塞进去，大象就死了。我们的做法是，它还不能死，还要装进冰箱——那就得让它‘减肥’，把一头大象培育成一只小羊羔，装进去还能活蹦乱跳。”

在科学方案确定后，上海光机所历经多年，完成了极高真空度物理系统、高功率光纤激光器、长期连续激光稳频、高精度集成物理光机等关键技术攻关，将地面20m³、重10吨的实验系统集成到0.7m³、重0.5吨的超冷原子物理实验柜中，体积只剩下约三十分之一。

“20立方米是什么概念？整个梦天舱的载荷空间就那么多，相当于把一个舱全占了。”李唐对记者说。

难的远不只是体积。实验柜里，二十多束激光要精确汇聚到几十微米大小的原子云上。“偏差不能超过5微米，大约是头发丝的十分之一。”他说。

更难的是一锤定音。

“一部从‘大哥大’长成手机的电话机”

——压缩，也要功能更全

“平时在实验室，东西出了问题，我们去调一调就行。做成载荷送上太空后，就没有人能调了，一上去就必须是好的，等于要求你一次必须成功。”

他用通信工具的演进向记者解释这种“压缩”如何成为可能：从占半间屋子的电子管计算机，到上世纪90年代的“大哥大”，再到今天一部手机。

不是简单地把东西做小，而是许多科学与技术的进步叠加起来，让它又小、又稳，功能还更全。

这条路走了15年。2011年，项目开始论证；2022年10月31日，随梦天实验舱发射升空；紧接着，11月1日，对接中国空间站；此后是在轨的调试、验证和一次次实验。

这是系统总体、科学团队、工程团队集智攻关、团结协作的结果。

与国际通行的原子芯片磁阱路线不同，中国团队选择了全光阱：先用磁光阱、光学黏团把铷原子初步冷却，再用两级交叉光阱深度冷却，靠降低光强完成蒸发冷却，最后用非绝热扩散继续降温。

“难度更大，但优势更明显。”李唐指出，全光阱在空间环境里有更多的光学通道，对磁场干扰不敏感，也更能兼容后续的量子模拟实验。

“最冷的地方，燃烧着最热的科学梦想”

7秒的“慢”，通向更“冷”的将来

7秒，是这个成果里另一个容易被忽略的数字。此前在地面上，原子云只能自由扩散0.05秒；国际空间站上的冷原子实验室，这个窗口也只有约1秒。

中国空间站把它延长到了7秒。

“原子只有待在那里不动，你才能认识它、利用它、更好地操控它。”北京大学电子学院教授周小计表示，温度越低，原子的自由扩散速度越慢，能“看清”的时间就越长。

论文共同第一作者、北京大学助理研究员熊炜表示，7秒的自由演化时间相比地面是百倍提升，给捕捉微弱的新奇物理现象留出了充足时间。

“长”还直接兑换成“准”。原子干涉仪可以测重力、测加速度、测转动，灵敏度与干涉时间的平方成正比。时间越长，能测到的信号越细微。

这些“冷”，最终会落到很“热”的地方。李唐现场给记者举例：北斗导航，金融交易的同步，高压电网的同步，背后都离不开原子钟；再往前，是量子计算，量子模拟，量子传感，量子传感可以测重力，测磁场，测电场；更远处，未来将用来观察地球、月球、火星。“甚至未来某一天可以用超冷原子干涉仪检验一百年前爱因斯坦提出的广义相对论，以及暗物质、暗能量究竟存不存在。”

在上海光机所的实验室里，还有一台与天上“一模一样”的地面镜像柜，大小、外观、接口都相同。“有重力是什么状态，没有重力是什么状态，一比就知道重力起了什么作用。”李唐说。

这项成果有没有可能拿诺贝尔奖？李唐回答，“不敢预测。我相信中国未来肯定会得到诺贝尔奖。我们期望这项工作能为未来的诺奖打下一个台阶，能参与其中，已经很荣幸。”他顿了顿对记者说，“当然还需要好多级台阶。但我相信，这是其中一步。”

从2006年团队开始布局空间冷原子技术，到今天的9.7皮开尔文，这条路在李唐看来是一块砖一块砖垒起来的。“罗马不是一天建成的。”他说，从王育竹院士那一代科研人员开始，技术、方法一点点积累下来，为今天的结果垫起了一级级台阶。

发布会现场，中国载人航天工程空间应用系统总设计师、空间应用中心副主任吕从民的一句话，被许多人记住：“最冷的地方，燃烧着最热的科学梦想。”

（大众新闻记者 董婉婉 金芮宏）