中国空间站将原子冷却至9.7皮开尔文，创下已知最低温纪录

在中国天宫空间站上，一团铷原子云被冷却到比绝对零度高不到一千亿分之一度的温度，这是有史以来报告的最低原子气体温度。这大约比此前在地面或轨道上取得的任何最佳结果都要低四倍。

这项纪录的意义不在于数字本身，而在于它带来的可能性。在这种低温下，原子扩散速度极慢，以至于研究团队可以在释放原子云后对其进行长达七秒的观测。这个时间窗口足以测试引力、量子行为乃至暗物质，其精度是任何地面实验室都无法达到的。

这些原子形成了玻色-爱因斯坦凝聚态，这是一种物质状态，其中数千个原子失去个体性，表现为一个单一的量子波。来自北京大学、中国科学院上海光学精密机械研究所和中国科学院空间应用技术与工程中心的研究人员在空间站梦天实验舱的冷原子物理实验装置中进行了这项实验，并在《科学》杂志上报告了结果。

原子云包含20,000个铷-87原子。其等效温度为9.7皮开尔文，不确定度在7.0至12.9皮开尔文之间。此前此类系统的最低温度纪录是38皮开尔文，而美国宇航局在国际空间站上的冷原子实验室曾达到52皮开尔文。

如何将十吨重的实验室压缩进一个空间站实验柜

冷却原子意味着减缓它们的运动。研究团队用交叉激光束（一种称为光学偶极阱的装置）捕获铷原子，然后逐步降低激光功率，让能量最高的原子得以逃逸。这就是蒸发冷却，与一杯咖啡中最热的分子以蒸汽形式离开而使咖啡冷却的原理相同。

在微重力环境下，这一方法的效果较差，因为原子不再沉降到陷阱底部（逃逸通道所在的位置）。研究人员增加了一个微弱的磁梯度来引导蒸发过程，从而获得凝聚态。最后一步，通过陷阱的突然非绝热膨胀，进一步减缓了原子的运动。

此前所有此类纪录都使用了基于原子芯片的磁陷阱。在轨运行激光器难度更大，但它们对磁干扰的敏感度较低，能为光学接入留出更多空间，并且可以捕获完全无视磁场的原子。”工程挑战在于，要在严格的航天要求下集中多项尖端技术，”上海光学精密机械研究所的研究员李唐（Li Tang）告诉新华社。

该实验的地面版本体积约20立方米，重量约10吨。而飞行实验柜仅占0.7立方米，重0.5吨，其超高真空系统、高功率光纤激光器和稳频光学器件在严格的功率限制下自动运行。

比深空寒冷数千亿倍

绝对零度（零下273.15摄氏度）是原子运动完全停止的点。太空并非那么冷：大爆炸的微弱余晖使其保持在比绝对零度高约2.7度的水平。以开尔文温标衡量，天宫空间站的原子云比那还要冷大约2800亿倍。

此前的最高纪录（38皮开尔文）来自一个德国团队，他们将一个原子芯片实验从不来梅坠落塔上抛下，以获得几秒钟的微重力状态。坠落塔的高度有限。而轨道上的空间站处于永久自由落体状态，因此只要原子保持相干性，实验就可以持续进行。

观测时间的差距最大。据该团队称，地面实验在原子云掉出视野前可以追踪大约0.05秒，国际空间站大约能维持1秒，而中国空间站现在可以达到7秒。”在地球上，它会掉下大约250米，所以除非你有一个250米高的真空腔室，否则它实际上会撞到地面，”因创造玻色-爱因斯坦凝聚态而共享诺贝尔奖的麻省理工学院物理学家沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle）在接受中国国际电视台（CGTN）采访时表示。

等效温度的含义与局限

9.7皮开尔文并非温度计的直接读数。研究人员通过原子云释放后扩散的速度来推断这个数值，将扩散速度转换为气体要达到如此缓慢运动所需的温度。这个数值仅描述原子本身：研究人员指出，实验设备及其周围环境从未接近该温度。

误差范围很宽，大约在正负30%左右，而且该结果来自单一设施，尚未被独立重复验证。与旧纪录的比较也混合了不同的方法：坠落塔、磁芯片和现在的激光陷阱通过不同的捕获和最终冷却方法达到各自的数据，因此差距只是一个参考，而非精确的排名。

原子云也很小。20,000个原子足以形成干净的凝聚态，但精密仪器需要更大的样本来提高灵敏度。该系统能否在常规运行中同时提供更多原子和长相干时间，是一个悬而未决的工程问题。

为什么七秒比纪录本身更重要

原子干涉仪将每个原子的量子波分成两条路径，然后再将其合并，从而将加速度的微小差异转化为可测量的信号。其灵敏度随原子在干涉仪内停留时间的平方而增长。”原子干涉仪高度受益于能够提供大量超冷原子和长观测时间的源，”汉诺威莱布尼茨大学的物理学家恩斯特·拉塞尔（Ernst Rasel）在中国国际电视台（CGTN）的报道中评论道。

这类仪器可以从轨道上绘制地球引力场图，并检验不同组成的物体是否真的以相同速率下落，这是爱因斯坦相对论的基石。激光陷阱还可以被塑造成光学晶格，这是一种光网格，像晶体一样固定住原子，让物理学家能够模拟难以直接研究的材料。”我们能观测的时间越长，就越有可能发现新的、更微弱的物理现象，”北京大学熊炜（Xiong Wei），该论文的共同第一作者，告诉新华社。

关于有史以来最低温度的常见问题

有史以来记录到的最低温度是多少？

对于原子气体而言，迄今报告的最低等效温度是9.7皮开尔文，这是在中国天宫空间站上达到的。这比绝对零度高万亿分之9.7度。此前的纪录是38皮开尔文。

什么是玻色-爱因斯坦凝聚态？

这是一种物质状态，当某些原子气体被冷却到接近绝对零度时形成。原子落入相同的量子态，并像一个波一样行动，这使得量子效应在足够大的尺度上变得可见，甚至可以被拍摄下来。

为什么冷原子实验在太空中效果更好？

在地球上，引力将原子拉出微弱的陷阱，并使释放的原子云在不到一秒钟内下落。在轨道上，原子漂浮，因此陷阱可以设置得更温和，从而将它们冷却得更低，并且原子云可以被观测数秒钟。

有什么东西能达到绝对零度吗？

不能。热力学定律禁止达到精确的零开尔文，因此实验只能越来越接近。每一步都变得更加困难，这就是为什么从38皮开尔文降至10皮开尔文以下被认为是一个巨大的飞跃。

向外部团队开放的轨道实验室

冷原子实验装置于2022年随梦天舱升空，该项目可行性研究最早始于2011年，这项纪录于2026年11月5日在线发表在《科学》杂志上。拉塞尔认为下一步是在轨道上运行原子干涉仪，使原子在数秒内保持相干分裂。中国载人航天工程空间应用系统总设计师吕从民（Lyu Congmin）表示，该实验装置向全世界所有希望在上面进行自己实验的科学家开放。

参考文献：Xiong et al., “Quantum gases below 10 picokelvin in space,” Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aea5324

标签: 物理学, 中国科学院, 天宫, 梦天, 玻色-爱因斯坦凝聚, 绝对零度