比宇宙背景还冷 2800 亿倍，空间站如何“冻”住一团原子？

现在把视角抬到 400 公里高空。中国空间站梦天舱里，一个立柜大小的柜子正在工作：里面装着 5 克金属铷，被二十几路激光反复“揉搓”，最后冻成一团几乎不动的原子云——9.7 皮开尔文。

宇宙里最冷的地方，不在深空，不在南极冰盖底下，而在离地 400 公里的一个柜子里。

先把这个数字翻译成人话。1 皮开尔文是 1 开尔文的万亿分之一，9.7 皮开尔文就是 9.7 万亿分之一开尔文。日常室温大约 300 开尔文，比它高出 14 个数量级。宇宙微波背景辐射——那个被称作“宇宙体温”的 2.7 开尔文——跟它比，也高了约 2800 亿倍。

这是人类已知最冷的人造物质。成果 11 月 6 日在线发表在国际学术期刊《科学》上，刷新了此前 38 皮开尔文的纪录。

示意图：从室温 300 K 一路降到 9.7 皮开尔文的温度标尺，右侧是空间站里的超冷原子实验柜

01 温度，其实是“原子跑多快”

我们平时说的冷热，是宏观感受；到了微观尺度，温度只有一个含义：原子热运动有多剧烈。原子跑得越慢，温度就越低。

北京大学陈徐宗教授把这句话说得更直接：温度的本质，就是原子的热运动。

那么 9.7 皮开尔文时，铷原子到底有多慢？按均方速度算，大约每秒 53 微米——一根头发丝的直径约 80 微米，这团原子在一秒钟里挪动的距离，还不到一根头发丝。

这不是“冷”，这是“静”。

当一个原子的运动慢到这种程度，它会跳出日常的物理规律：不再乱跑乱撞，而是整体呈现出玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein condensate）这类宏观量子现象。北京大学周小计教授的比喻很形象——原本无序乱跑的原子，变成了一支整齐划一的“量子仪仗队”。

问题也随之而来：要把原子冻成这样，为什么非得上太空？

02 地面上，这道题做不下去

制冷的基本思路不复杂：用激光和磁场搭一个“原子陷阱”，把原子兜住，再慢慢松开陷阱，让跑得快的原子先逃掉，剩下的平均温度就降下来了。这套办法叫蒸发冷却（evaporative cooling）。

但地面上有一道坎，谁也绕不过去：重力。

陷阱松一点，原子就被重力拽着往下掉、掉出陷阱；陷阱收紧一点，原子的活动空间被压小，反而限制温度继续下探。陈徐宗给出的数字很干脆：地面做这类实验，能稳定观测的时间只有 0.05 秒。

0.05 秒能干什么？光走 1.5 万公里，原子连“喘口气”都不够。

麻省理工学院教授、2001 年诺贝尔物理学奖得主沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle）算过另一笔账：这团原子如果在地面上自由膨胀 7 秒，它会下落大约 250 米——除非你有一间 250 米高的真空腔，否则它早就摔到地上了。

到了空间站的微重力环境，这道题突然变简单了：原子自己漂着，不需要很强的束缚，陷阱可以做得极“松”，温度就能压得更低，观测窗口也从 0.05 秒拉长到 7 秒。7 秒，是地面的一百多倍。

同样一团原子，在地面只能看 0.05 秒，在太空能看 7 秒——多出来的不是时间，是发现新物理的机会。

超冷原子物理实验柜（地面镜像件）｜图片来源：中国科学院、上海光机所供图

03 中国方案：不用磁笼，用光笼

国际上的通行做法，是用原子芯片做出微磁阱（micro magnetic trap）把原子“关”起来，再用射频蒸发冷却降温，最后用脉冲冲击做深度冷却。

中国团队走了另一条更难的路：全光阱（all-optical trap）。

所谓全光阱，就是完全用激光做笼子。二十四路激光在几十微米的范围里交叉，形成一个极浅的光势阱，把铷原子云“兜”在中间；然后一点点降低光强，让能量高的原子先跑掉，实现蒸发冷却；最后用非绝热扩散（non-adiabatic expansion）把温度再往下压一个台阶。

整个流程是这样的：先把 5 克金属铷加热蒸发成铷蒸气，用磁光阱（magneto-optical trap）和光学黏团（optical molasses）做初步冷却，把原子“减速”到微开尔文量级；再用两级交叉光阱蒸发冷却，进入纳开尔文；最后非绝热扩散，落到 9.7 皮开尔文。

为什么放着成熟的磁阱不用，偏要走光阱？周小计的解释是：在太空环境里，多束激光的精确控制更容易实现，光阱对磁场干扰不敏感，而且天然兼容光晶格（optical lattice）实验——把原子排成“晶体”，用来模拟固体材料里的量子行为。工程可靠性和科学扩展性，都更划算。

示意图：铷蒸气→磁光阱→光学黏团→交叉光阱→非绝热扩散的五步降温流程

04 一屋子的设备，塞进一个柜子

9.7 皮开尔文背后，还有一场硬碰硬的工程仗。

地面上的超冷原子实验系统，占地约 20 立方米、重 10 吨，差不多是一间屋子。送上空间站的实验柜，只有 0.7 立方米、0.5 吨——体积压了约 28 倍，重量减了 20 倍。

把一间屋子的设备塞进一台冰箱，还要保证精度不掉——这才是这件事真正的难点。

上海光机所研究员李唐举了个例子：实验柜里要把二十几束激光精确汇聚到几十微米的原子云上，瞄准误差不能超过 5 微米，大约是十分之一根头发丝的粗细。而这么精密的系统，还得满足航天级的高集成、低功耗、高可靠要求，通过振动、真空、热控一系列试验才能上天。

超高真空的获取与断电后保持、全光纤激光、高精度激光功率稳定、大电流磁阱控制、高精度隔振……一项项技术啃下来，才有这台“太空超级冰箱”。

过程也不是一路顺风。2021 年底，实验柜进入正样研制阶段，团队反复实验却始终没能呈现玻色-爱因斯坦凝聚——这是冷却的第一步，第一步不成，后面全部作废，甚至影响整个梦天舱的载荷方案。系统总体紧急争取到 10 天宽限：10 天后还出不来结果，这一轮就不上天。

那 10 天里，团队逐个排查成百上千个软硬件部件。2022 年 1 月 8 日凌晨，信号出现了。李唐后来回忆：“当时感觉距离成功只有一张窗户纸，后来还真捅破了。”

05 冻住之后，能干什么

这么折腾，就为了一个温度数字？不是。

原子越冷、越慢，就越“好测”。把它做成原子干涉仪（atom interferometer），利用原子的波动性去感知加速度和重力，灵敏度会随着原子在干涉仪里停留的时间按平方增长——德国莱布尼茨大学的恩斯特·拉塞尔（Ernst M. Rasel）就是这么解释的。停留时间从 0.05 秒拉到 7 秒，灵敏度提升的空间有多大，可以自己算。

这套能力往下走，是一串很实在的应用：给地球做引力“CT”，靠重力差异去找矿体、地下空洞、地下水；做不依赖卫星信号的高精度惯性导航；在更高精度下检验广义相对论预言的时空弯曲；甚至捕捉超轻暗物质留下的蛛丝马迹。

温度降下去，测量的尺子就变长了。

从 2011 年立项论证，到 2022 年随梦天舱入轨，再到 2026 年交出这张成绩单，这条路走了 15 年。热力学第三定律早就告诉我们：绝对零度永远无法真正抵达。但每靠近一步，人类就多一件看清微观世界的工具。

绝对零度到不了，脚步没停过——这大概就是基础研究最迷人的地方。