这确实是一项非常了不起的科研成果。

11月6日，北京大学与中国科学院上海光学精密机械研究所等单位的科研团队，在《Science》发表了一篇论文，题目叫《Quantum gases below 10 picokelvin in space》，翻译过来就是《太空中低于10皮开尔文的量子气体》。[1]

研究人员利用中国空间站梦天舱里的超冷原子物理实验柜，把大约两万个铷原子组成的原子云，冷却到了等效温度仅为9.7皮开尔文的状态，并实现了长达7秒的自由膨胀观测。

中国空间站超冷原子物理实验柜相关设备

此前的纪录是2021年德国科研团队创造的38皮开尔文。这一次，中国科学家把纪录降低到了原来的四分之一左右。

以上就是这项研究的成果，但我估计只是这么科普的话，我估计大部分人都整不明白我们的科研团队做了什么，只能说，卧槽，好牛逼。

那么我今天就尝试用中学物理的水平给大家解释下这个为什么牛逼。

首先，先来看看9.7皮开尔文到底有多冷？

我们在中学物理里就学过，温度是表示物体冷热程度的物理量。从微观角度来说，温度与构成物质的微观粒子的无规则热运动密切相关。

一般情况下，温度越高，原子的热运动越剧烈；温度越低，原子的热运动越缓慢。

而物理学中的绝对零度，也就是0开尔文（0 K），对应着零下273.15摄氏度。

这一次，中国科学家创造的9.7皮开尔文，就是：

也就是说，它距离绝对零度只有大约一千亿分之一开尔文。

那么，科学家是如何做到的呢？

温度越低，原子运动得越慢

我们先回忆一个中学物理公式：

这个公式告诉我们，物体的质量不变时，速度越小，动能也就越小。

对于普通气体来说，温度与分子的平均平动动能存在明确的关系。所以，要想把一团原子气体冷却下来，一个很直接的思路就是降低原子的运动速度。

那怎么给原子减速呢？

科学家想到了一个办法：用激光。

这可能有点违反直觉。我们平时觉得激光能够加热物体，怎么反过来还能给物体降温？

其实，光除了携带能量，还携带动量。原子吸收光子的时候，也会获得光子传递的动量。

如果巧妙地调整激光的频率，并让激光从不同方向照射原子，就可以让运动中的原子受到一个平均来说与运动方向相反的作用力。

这样一来，原子的运动速度就会逐渐降低，这就是激光冷却的基本原理。

而激光冷却只是整个实验的开始。

在最初的冷却过程中，研究人员利用磁光阱和光学黏团技术，让原子运动速度大幅降低。随后，再利用聚焦激光构成的光学势阱，把原子限制在一小片空间内。

然后，科学家会让动能比较高的原子先逃出去，留下那些动能比较低的原子，这叫作蒸发冷却。

我们平时就能观察到类似的现象。比如，在皮肤上涂一点酒精，酒精挥发时会带走能量，让皮肤感觉凉凉的。

液体蒸发时，能够逃离液体的分子往往具有较高的能量，剩余液体的平均能量因此降低。

超冷原子实验中的蒸发冷却，利用的也是选择性移除高能粒子这一基本思路。

中国科研团队采用了两级光阱冷却技术，先通过蒸发冷却形成玻色—爱因斯坦凝聚体，再把原子转移到束缚更弱、范围更大的光阱中进行深度冷却，最终让原子云的膨胀速度降到了极低的水平。

为什么非得去太空做实验？

我们想象一下，如果在地球上，把一团原子释放出来，会发生什么？

答案很简单：自由落体。

我们中学物理学过，自由落体运动的位移可以写成：

假如原子在地面附近自由下落7秒，不考虑空气阻力，那么它下落的距离大约就是240米。

那么，问题来了。

科学家想让原子的运动速度越来越小，可原子一旦脱离束缚，就会受到重力作用，不断向下加速。

如果用光阱把原子牢牢限制住，又需要比较强的束缚，这会给进一步降低原子的动能带来困难。

怎么办呢？直接把实验装置送到太空。

这样一来，科学家就可以在很弱的束缚条件下，让原子云缓慢膨胀，不需要额外施加强大的力来对抗重力。

这正是空间站最大的优势。

2021年，德国科学家为了获得类似的微重力环境，就曾经利用不来梅落塔开展实验，把铷原子云的等效温度降到38皮开尔文。

但是落塔能够提供的微重力实验时间非常有限，而空间站可以长期提供这样的实验条件。这一次，中国科研团队就实现了长达7秒的自由膨胀观测，使原子云具有极低的等效膨胀动能。

那把原子冷却到这个程度，有什么用？

前方高能，已经超过中学物理范围，请做好准备……

这个东西，涉及到一个物理学经典概念：玻色—爱因斯坦凝聚（BEC）。

我们平时接触的气体，里面的原子通常处于不同的运动状态，各自做着无规则运动。但对于某些原子而言，当温度足够低时，大量原子就可能进入相同的量子态，表现出集体性的量子行为。

这就是玻色—爱因斯坦凝聚。它使得一些原本只在微观尺度上表现明显的量子现象，可以在整个原子云上表现出来。

为什么科学家特别希望研究这种状态？因为我们中学物理学过，波具有干涉现象。

在量子力学中，原子同样具有波动性。而当原子变得足够冷，运动足够缓慢时，我们就更容易利用原子的波动性质开展精密实验。

这里面有几个非常重要的应用方向。

首先是测量重力。

科学家可以利用原子的波动性质，制造一种叫作原子干涉仪的精密仪器。它有些类似光的干涉实验，只不过利用的是原子的物质波。

当原子受到重力或者加速度的影响时，其物质波的相位会发生变化，科学家可以通过测量干涉信号，反推出这些微小的变化。

如果我们能让原子运动得更慢，观察得更久，就有机会进一步提高测量精度。

未来，这项技术可能用于更精细地测量地球重力场，研究地球内部的质量分布，以及地下水和冰川等引起的重力变化。

其次是惯性导航和原子钟。

我们平时使用手机导航，需要依靠卫星系统确定位置。

但如果能够利用超冷原子制作出精度更高的加速度计和陀螺仪，就可以通过测量自身运动状态来进行导航，减少对外部定位信号的依赖。

而在计时领域，原子的量子跃迁频率本身就能够作为极其稳定的频率标准。相关超冷原子技术有望帮助发展更加精密的空间原子钟。

最后，也是基础科学研究中非常重要的方向，就是检验现有的物理理论。

比如，我们中学物理学过，在不考虑空气阻力时，不同质量的物体自由下落具有相同的重力加速度。

这一现象背后涉及广义相对论中的等效原理。

那么，如果把不同种类的原子放到空间站中，让它们在微重力环境下自由运动，能不能以更高的精度验证这一原理呢？

这就是科学家正在探索的研究方向之一。

类似的高精度实验，还有可能用于寻找极其微弱的新物理信号，包括某些超轻暗物质模型所预言的效应。

所以说，这项研究最有价值的地方，除了刷新最低温度纪录以外，更重要的是，中国科学家已经在空间站建立起一个能够制备极低动能量子气体，并进行长时间自由演化实验的研究平台。

参考文献

[1] Xiong W, Li T, Jin S, et al. Quantum gases below 10 picokelvin in space. Science. 2026. DOI: 10.1126/science.aea5324