中國太空站把原子冷卻到9.7皮克爾文，創下已知最低溫紀錄

中國天宮太空站上一團銣原子雲，已被冷卻至絕對零度以上不到一千億分之一度，創下原子氣體有史以來的最低溫度紀錄。這大約是此前在地球或軌道上任何地方所達成最佳結果的四倍低。

這項紀錄的意義不在於數字本身，而在於它能帶來什麼。在那樣的低溫下，原子擴散得極其緩慢，以至於研究團隊在釋放原子雲後，還能觀察它長達七秒鐘，這段時間窗口足以測試重力、量子行為，甚至可能探測暗物質，其精確度是任何地面實驗室都無法達到的。

這些原子形成了玻色-愛因斯坦凝聚態，一種物質狀態，其中數千個原子失去個體性，表現為單一的量子波。來自北京大學、上海光學精密機械研究所，以及中國科學院空間應用工程與技術中心的研究人員，在太空站夢天實驗艙的冷原子物理實驗櫃中進行了這項實驗，並將結果發表於《科學》（Science）期刊。

這團原子雲含有 20,000 個銣-87 原子。其等效溫度為 9.7 皮克爾文，不確定度範圍介於 7.0 至 12.9 皮克爾文之間。此類系統此前的最高紀錄是 38 皮克爾文，而國際太空站上的 NASA 冷原子實驗室（Cold Atom Lab）則曾達到 52 皮克爾文。

如何將十噸重的實驗室塞進太空站實驗櫃

冷卻原子意味著讓它們減速。研究團隊利用交叉雷射光束（一種稱為光偶極阱的裝置）捕捉銣原子，然後逐步降低雷射功率，讓能量最高的原子得以逃逸。這就是蒸發冷卻，與一杯咖啡中最熱的水分子以蒸氣形式逸散從而冷卻的原理相同。

在微重力環境下，這個方法的效果較差，因為原子不再沉降到陷阱底部（即逃逸口所在處）。研究人員加入了一個微弱的磁場梯度來引導蒸發過程，從而獲得凝聚態。最後一個階段，是讓陷阱突然進行非絕熱膨脹，進一步減緩原子的速度。

此類紀錄以往都是利用原子晶片上的磁阱達成的。雷射在軌道上運行難度較高，但它們對磁場干擾較不敏感，能為光學通道留出更多空間，並且可以捕捉那些完全不受磁場影響的原子。據新華社報導，上海光學精密機械研究所的研究員李唐（Li Tang）表示：「工程挑戰在於，如何在嚴格的航太要求下，將多項尖端技術集中在一起。」

這項實驗的地面版本佔地約 20 立方公尺，重約 10 噸。而太空飛行用的實驗櫃僅有 0.7 立方公尺、重半噸，其超高真空系統、高功率光纖雷射以及頻率穩定的光學元件，都在嚴格的功率限制下自動運行。

比深空還要冷數千億倍

絕對零度（攝氏零下 273.15 度）是原子運動理論上完全停止的溫度。太空並非那麼冷：宇宙大爆炸的微弱餘暉使其溫度維持在絕對零度以上約 2.7 度。以克爾文溫標計算，天宮太空站的原子雲比那個溫度還要冷大約 2,800 億倍。

此前的最高紀錄 38 皮克爾文，是由一個德國團隊在不來梅的落塔中進行原子晶片實驗，利用幾秒鐘的失重狀態所達成。落塔的高度有其極限。而軌道上的太空站處於永久自由落體狀態，因此只要原子保持相干性，實驗就可以持續進行。

觀察時間是差距最大的地方。根據研究團隊的說法，地面實驗在釋放原子雲後，大約只能追蹤 0.05 秒，之後原子雲就會掉出視野；國際太空站大約能維持一秒；而中國太空站現在則能達到七秒。麻省理工學院物理學家、因創造玻色-愛因斯坦凝聚態而共同獲得諾貝爾獎的沃夫岡·克特勒（Wolfgang Ketterle）在接受中國環球電視網（CGTN）採訪時表示：「在地球上，它會掉落大約 250 公尺，所以除非你有一個 250 公尺高的真空腔，否則它實際上會撞到地面。」

等效溫度的意義與非意義

9.7 皮克爾文並非溫度計的直接讀數。研究人員是透過原子雲釋放後擴散的速度來推斷，將這個擴散速度換算成氣體要移動得那麼慢所需的溫度。這個數字僅描述原子本身：研究人員指出，實驗設備及其周圍環境從未接近過這個溫度。

誤差範圍相當大，約為正負 30%，而且這個結果來自單一設施，尚未被獨立重現。與舊紀錄的比較也混合了不同的方法：落塔、磁晶片以及現在的雷射陷阱，是透過不同的捕捉和最終冷卻方法達到各自的數值，因此這個差距只是一個參考，而非精確的排名。

這團原子雲也很小。兩萬個原子足以形成一個乾淨的凝聚態，但精密儀器需要更大的樣本才能提高靈敏度。這個系統能否在常規運行中同時提供更多原子和長相干時間，是尚待解決的工程問題。

為什麼七秒鐘比紀錄本身更重要

原子干涉儀會將每個原子的量子波分成兩條路徑，然後再將其合併，從而將加速度的微小差異轉化為可測量的信號。其靈敏度與原子在其中停留的時間的平方成正比。萊布尼茨漢諾威大學物理學家恩斯特·拉塞爾（Ernst Rasel）在 CGTN 的報導中表示：「原子干涉儀極大受益於能夠提供大量超冷原子源以及長觀察時間的系統。」

此類儀器可以從軌道上繪製地球重力場圖，並測試不同成分的物體是否真的以相同速率下落，這是愛因斯坦相對論的基石。雷射陷阱還可以塑造成光學晶格，這是一種由光構成的網格，能像晶體一樣固定原子，讓物理學家得以模擬難以直接研究的材料。據新華社報導，北京大學的論文共同第一作者熊煒（Xiong Wei）表示：「我們觀察的時間越長，就越有可能發現新的、更微弱的物理現象。」

關於有史以來最低溫度紀錄的常見問題

有史以來記錄到的最低溫度是多少？

對於原子氣體而言，迄今報告的最低等效溫度是 9.7 皮克爾文，是在中國天宮太空站上達成的。這相當於絕對零度以上兆分之 9.7 度。此前的紀錄是 38 皮克爾文。

什麼是玻色-愛因斯坦凝聚態？

這是一種物質狀態，當某些原子的氣體被冷卻到接近絕對零度時形成。原子會落入相同的量子態，並像一個波一樣行動，使得量子效應在足夠大的尺度上變得可見，甚至可以被拍攝下來。

為什麼冷原子實驗在太空中效果更好？

在地球上，重力會將原子從微弱的陷阱中拉出，並使釋放出的原子雲在不到一秒鐘的時間內墜落。在軌道上，原子漂浮，因此陷阱可以做得更溫和，從而將它們冷卻到更低的溫度，並且原子雲可以被觀察數秒之久。

有什麼東西能達到絕對零度嗎？

不能。熱力學定律禁止達到精確的零克爾文，因此實驗只能越來越接近它。每進一步都變得更加困難，這就是為什麼從 38 皮克爾文降到 10 皮克爾文以下被視為一個巨大的飛躍。

向外部團隊開放的軌道實驗室

冷原子實驗櫃於 2022 年隨夢天實驗艙升空，該項目的首次可行性研究始於 2011 年。這項紀錄於 2026 年 11 月 5 日在《科學》期刊線上發表。拉塞爾認為，下一步是在軌道上建立干涉儀，使原子在相干狀態下分裂數秒鐘。中國載人航天工程空間應用系統總設計師呂從民（Lyu Congmin）表示，該實驗櫃向全世界所有想要在上面進行自己實驗的科學家開放。

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

標籤: 物理學, 量子物理, 中國科學院, 夢天, 天宮, 玻色-愛因斯坦凝聚