冷原子实验有望获得量子力学及重力研究飞跃
科学家将冷却原子云，制造玻色—爱因斯坦凝聚态。图片来源：D. Scott Clark
原子物理学家总喜欢待在“小黑屋”里埋头研究。当1990年Eric Cornell开始在美国实验天体物理联合研究所（JILA）与Carl Wieman进行博士后研究时，为了利用自制激光器诱导出玻色—爱因斯坦凝聚态（BEC）这一原子新物态，他们硬生生地把2楼的实验室改造成漆黑的“地下室”。
“我们曾经有能俯瞰山脉的美丽窗户。”Cornell说，“但我们买了3英寸厚的聚苯乙烯泡沫塑料，然后把它切成方块，粘在了玻璃上面。”
BEC又被称为“物质的第五态”，这种物态的特点在于原本不同状态的原子会突然“凝聚”到同一状态（一般是基态）。
Cornell与Wieman试图将一种铷气体冷却到比自然界任何地方都冷的温度——绝对零度的十亿分之一。由于成功验证被理论预言已久的BEC，Cornell与Wieman获得了2001 年的诺贝尔物理学奖。
现在，Cornell等物理学家将带着他们的原子束走出“小黑屋”奔向宇宙：2018年，美国宇航局（NASA）将把冷原子实验室（CAL）到国际空间站。
一旦进入轨道，完全自动化的设备平台将创造BEC和进行其他冷原子实验，利用失重的优势达到创纪录的低温，并获得量子力学和重力研究的飞跃。
这里，微型化是关键：整个实验曾需要一间屋子装下激光器、光学组件和真空系统。而现在这些设备被塞进了一个冰柜大小的实验装置内。物理学家将像使用太空望远镜的研究者一样，轮流进行远程实验。
“我已经投身BEC领域20年了，现在要在太空做研究，这看起来似乎很疯狂。”NASA喷气推进实验室（JPL）物理学家、CAL项目科学家Robert Thompson说。
科学家计划在太空进行原子物理学实验的一个原因就是失重。弗吉尼亚大学夏洛茨维尔分校物理学家、CAL实验者Charles Sackett说：“在太空中做原子物理研究的最大原因在于可以摆脱重力的束缚。”
摆脱重力束缚
但这里有个问题：在地球上制造BEC态，物理学家一般会用激光捕获并冷却原子，使得原子的速度从“千米/秒”下降到比步行还慢的“厘米/秒”。但当他们要测量BEC时，需要将BEC的原子从势阱中释放出来，然后用激光照射其上而得到一个能够反应原子分布的阴影。
在地面上，当把BEC的原子释放时，重力就会作用于原子上，导致原子最终与真空腔底发生碰撞。在释放到发生碰撞的过程中，物理学家仅有10~20 毫秒时间进行测量。而一旦到了无重力的轨道环境下，从释放到残余气体加热真空腔的过程中，BEC能够维持大约10秒，研究者有充足的时间进行地面上无法完成的测量。
不仅如此，在太空中，原子还可以达到更低的温度。制造BEC的最后一个步骤是降低束缚原子的磁场，让势阱的强度变弱、范围变宽，使得原子气体膨胀并冷却。当在轨道环境下进行此步骤时，物理学家可在满足原子不脱离势阱的前提下，得到比地面上强度更弱、范围更大的势阱，因此也就能够获得更低的温度。而更低的温度有可能会带来一些微妙的新量子效应。
当然，这类失重状态也可以在地面进行模拟。自2007年以来，德国不来梅应用空间技术和微重力中心的一个跨国团队（QUANTUS），能让原子产生近5秒的失重自由落体状态。QUANTUS组长、戈特弗里德·威廉·莱布尼兹大学物理学家Ernst Rasel表示，目前地面实验能达到的最低温度为50pK。
今年早些时候，QUANTUS在瑞典基律纳发射了装载实验装置的探空火箭。火箭被发射到距地面240多公里的高度，飞行过程提供了6分钟的自由落体。这段时间里，全自动装置总共进行了85个不同的实验，其中包括首次在太空中产生BEC的实验。
但在国际空间站，将会给CAL提供一年甚至更久的时间，以便科学家做更多的研究。首先，CAL的物理学家的目标是尽可能达到最低温度，研究人员相信他们可以降到100pK甚至更低的温度。虽然可能无法达到像QUANTUS所获得的最低温度，但是QUANTUS一天之内只能进行3次实验，而CAL却可以持续不断地进行实验。
在另一个实验中，贝茨学院物理学家Nathan Lundblad及同事希望能制作BEC空心壳。在地球上，重力能将这些壳压碎。这些贝壳能让研究人员以一种新方式探测BEC的波浪性质。
叶菲莫夫效应
CAL团队的第二个任务则是探查量子力学中的叶菲莫夫效应。叶菲莫夫效应能使某些原子形成弱束缚三原子分子，哪怕两原子间没有明显的相互作用。这个分子中原子间的关系如同博罗梅安环——三环缠绕，去掉一个，剩余二者土崩瓦解。
为了得到这样的三原子分子，JILA的Cornell 、Peter Engels 和华盛顿大学的Maren Mossman 将对超冷原子钾-39施加磁场。在某个特定的场强下，诱导孤立的原子形成三原子分子。
这一效应已经在地面上被观察到，但人们并没有完全验证这一理论。按照理论预言，叶菲莫夫态在持续变强的磁场下会不断地形成、破裂、再形成，分子的尺寸也以22.7 倍的比例变大。
Cornell团队打算观测细菌般大小的二次叶菲莫夫态，即初始叶菲莫夫态消失后由于磁场增大而再次形成的叶菲莫夫态。为此，他们需要把原子气体的密度变为原来实验的1/1000，但这样的要求在地面上难以实现，只能依靠失重环境。
“如果仍旧在地面上实验，将会让我们和学生的研究进度放缓甚至是原地踏步。”Cornell 补充道。
不过，CAL 的终极目标是进行一项叫做原子干涉测量的实验。
终极目标
实际上，原子干涉测量并不算复杂。科学家会利用激光把BEC的量子波分裂成两半，变为两组原子。由于量子力学原理，“分裂”也就意味着两组原子会同时选择两组路径。如果分裂的路径是垂直分离，一条路径将无限远离地球，拥有比其他路径更多的重力势能，沿着这条路径运动的量子波的波动速度将稍快。最后当波合并时，由于发生干涉，它们将在BEC中制造一个波纹状的密度分布。
如果足够精确，轨道原子干涉测量技术有望实现更多科学上的应用。例如，它将比当前依靠激光陀螺仪的设备更为精确，因此有可能被用到航天器的惯性导航系统中。
此外，通过测试重力对两种不同类型原子的BEC的影响，原子干涉技术可以验证所有物体的共同原理，即所有物体在重力作用下的加速度是一样的。
这种“等效原理”现在已经成为爱因斯坦广义相对论的基石，而物理学家依旧热衷于以尽可能多的方式去验证它。
但现在由于设备问题，CAL还不能立即进行这项实验。为了制造BEC，开发者选用了来自ColdQuanta公司制造的系统。该系统的核心是一个黄油棒大小的真空腔，在腔室的一端，有一个有助捕捉并冷却原子的微型晶片。但Thompson表示，现在此晶片在原始和备用设备中都出现了漏电问题，为了保持项目进度，研究人员转向了不配备原子干涉所需小镜子的更简设计，依旧让ColdQuanta 公司制作。
今后，他们将计划发射原子干涉仪的升级包解决目前问题。“我很清楚这个问题是完全可以解决的。”ColdQuanta 公司首席执行官及联合创始人Dana Anderson说。
CAL 项目只是冷原子空间实验的开端。CAL和QUANTUS团队还计划联手进行一个被称做BECAL的空间站任务，预计将在2020或2021年发射，重点将放在原子干涉测量上。
这次合作还能够展现不同团队的技术方法。NASA为了能在5年时间内把CAL整合起来，依靠的是商业的、现成的技术。Becal的合作项目有望将德国团队的技术内嵌到JPL的空间站升级包中。
最终，物理学家计划发射一颗专用实验卫星进行太空中冷原子实验。目前空间站虽然提供了失重环境，但内部却充斥着诸如泵和其他机械的震动噪声，而一个更安静的卫星环境或许能让冷原子实验达到更高的精确度和灵敏度。
不过，一切的基础是科学家必须先学会如何在太空中进行原子物理研究，这也正是CAL建立的目的所在。虽然研究者还不清楚未来等待他们的是什么，但就像Sackett所说的那样：“一旦能理解并运行这套系统，我相信我们会产生一些前所未有的酷点子。” （张章编译）
