11月6日,一条震撼全球物理学界的重磅成果正式对外公布!由中国科学院牵头的科研团队,借助中国空间站梦天舱超冷原子物理实验柜,成功把铷原子云的等效温度降到9.7皮开尔文,一举打破人类保持已久的最低温世界纪录,造出当下人类已知最冷的人造物质,论文登上国际顶刊《科学》。
很多人对这个温度没有直观概念。9.7皮开尔文,仅仅比绝对零度(-273.15℃)高出9.7万亿分之一开尔文,相比日常室温低整整14个数量级。作为参照,此前该项世界纪录由德国团队2021年创下,为38皮开尔文;国际空间站同类实验最好成绩也只有52皮开尔文,原子云的稳定观测时间仅有1秒。而本次空间站实验,稳定观测时长达到7秒,对比地面常规冷原子实验0.05秒的观测窗口,直接提升上百倍,给科学家留出充足时间去观测奇妙的量子现象。
这项成果的背后,是一场历时15年的硬核技术长征。项目早在2011年启动论证,摆在团队面前最大的难题,就是“减重压缩”:地面一套冷原子实验系统足足有20立方米、重达10吨,根本不可能送上太空。科研人员攻坚克难,最终将整套设备浓缩成0.7立方米、0.5吨重的实验柜,稳稳安家在梦天实验舱。
在技术路线上,团队不走国际常用的磁阱方案,主动选择难度更高的全光阱冷却,抗磁场干扰能力更强,多光束的控制精度优势突出。而空间站得天独厚的微重力环境,更是实验成功的关键。地面做实验需要很强的束缚力对抗重力,会带入额外能量扰动;太空之中只需要极弱约束,原子云就能稳定悬浮,才可以一路冷却到这般极致低温。
极低温不只是实验室里的炫技,它的应用价值覆盖多个领域。在基础物理研究上,这个平台能够开展极低温量子相变研究、模拟早期宇宙环境,还可以用来探测超轻暗物质,检验广义相对论的基础理论,帮助人类叩开很多悬而未决的物理谜题。落地到民生,依托超冷原子打造的超高灵敏度原子重力仪,能够高精度测绘地球重力场,助力地下矿藏勘探、水库监测、地质断层异动预警,守护地质安全。航天领域,超冷原子量子陀螺仪,有望实现无卫星信号条件下米级精度的长时间惯性导航,为深空探测、核潜艇静默航行提供强大的技术支撑。
更彰显大国格局的是,中国载人航天工程明确表态,这个顶尖的超冷原子实验平台将面向全球科研人员开放,共享珍贵的太空实验资源,和全世界科学家携手探索极低温量子物理的未知边界。
从天宫建站到太空产出世界级重大物理成果,中国空间站早已不只是一座在轨居所,而是世界级的太空实验室。太空的舞台广阔无垠,属于全人类的星辰大海探索,正由我们一步步向前推进。
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中国空间站
中国空间站实验舱
原子云实验示意图