吹凉热汤的日常手势，被搬上了400公里高空
端起一碗滚烫的肉汤，人们总会下意识对着汤面吹几口气。汤面上跑得最快的热分子被微风带走。整碗汤的平均热量便逐渐降下来。这个日常动作在物理学中被称为蒸发冷却。
家用冰箱的冷冻室通常在零下 18 度左右。地球上最寒冷的南极腹地，测得过的最低温是零下 89 度。2026 年 11 月 5 日，中国科学家在学术期刊《科学》发表了一项新成果。他们将一套精密冷却装置送上 400 公里高的轨道。在天宫空间站里，他们造出了刷新人类纪录的极冷物质。
这套自动化实验装置将原子降到了 9.7 皮开尔文。皮开尔文（picokelvin，开尔文的万亿分之一）是一个尺度极小的温标。物理学存在一个理论底线，被称为绝对零度（absolute zero，理论上的最低温极限，约等于摄氏零下 273.15 度）。在绝对零度下，粒子几乎停止一切热运动。中国空间站造出的这团原子气体，距离绝对零度只有十万亿分之一度。
重力会压垮脆弱原子云，必须上天寻找出路
科学界为何要费尽周折将冷却设备搬进太空？答案藏在地球无处不在的重力之中。微观世界的温度，本质上是原子运动剧烈程度的体现。水温越高分子跳动越快。降温就是让原子的运动逐渐慢下来。
为了在真空中困住原子并给它们降温，科研人员常用激光筑起隐形力场。物理学上把这种约束原子的结构称为势阱，形态就像一口无形的大碗。当温度降到百亿分之一度以下时，这口碗必须调得又平又浅。只有把碗调浅，原子才有舒展膨胀的空间。
在地球表面做这件事会撞上天然障碍。地心引力时刻拉扯着微观粒子。一旦外围的力场碗变浅，原子云就会被自身的重量压塌，从碗底漏出去。德国科学家曾在不莱梅建起 146 米高的落塔。落舱在自由下落时能制造短暂失重，但留给实验的观察时间只有 2 秒左右。
要想让极冷原子长时间悬浮，必须脱离地面重力环境。天宫空间站梦天实验舱运行在微重力（microgravity，微观物体在轨道自由下落时不受重力挤压的失重环境）之中。向下拽拉的重力压迫随之消失。失去了重力撕扯，脆弱的原子云终于能在空中安稳停留。
图：天宫空间站在轨运行。来源：CMSA / SCMP
激光光网降下浅碗，两万颗原子运动速度慢过蜗牛
天宫空间站搭载了冷原子物理实验柜（Cold Atom Physics Rack，简称 CAPR）。这是安装在梦天实验舱内部的自动化科学实验箱。科研团队在柜内使用了光偶极阱（optical dipole trap，利用交叉激光电磁力夹住原子的隐形光镊子）。交叉的光束在真空室内锁定了约 200 万颗铷-87（rubidium-87，一种质地柔软且易受激光操控的碱金属同位素）。
实验团队先开启 5 瓦功率的激光，把原子群体圈在 54 微米宽的微小空间里。随后控制系统将激光功率连续调低到 0.2 毫瓦。如同给热汤吹气一般，能量较高的热原子趁机溜走。剩下的原子温度降至 3.1 纳开尔文。它们凝聚成了玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensate，简称 BEC，微观原子在接近绝对零度时步调一致的宏观量子状态）。
随后，研究人员将这团原子释放进 124 微米宽的外层光阱。在没有引力干扰的太空中，原子云自由舒展。随着相互碰撞急剧减少，原子云等效温度降到了 9.7 皮开尔文。这个数据比德国落塔此前创造的 38 皮开尔文纪录冷了将近 4 倍。它也刷新了美国空间站冷原子实验室在 2020 年创下的 52 皮开尔文纪录。
深空宇宙中残留的微波背景辐射大约是 2.7 开尔文。空间站制造的这团冷气，比深空自然背景还要冷 2000 多亿倍。在 9.7 皮开尔文下，两万颗铷原子的漂移速度低于每秒 200 微米。花园里的蜗牛爬行 1 厘米大约要花 50 秒，平均每秒约 200 微米。这些冷原子的速度也就跟蜗牛旗鼓相当。原子走过一根头发丝的宽度，都要花上半分多钟。
图：空间站实验柜内用激光光阱束缚极冷原子的物理示意图。来源：Xiaoji Zhou / Peking University（经 DongA Science）
7秒自由膨胀拉长观察窗口，价值超过温度数字本身
在许多物理学家看来，刷新低温纪录只是这套装置的第一步。更关键的突破，在于原子云在太空中实现了长达 7 秒的自由膨胀。科研人员在这 7 秒内能够对它进行连续追踪与成像。
地面落塔受限于建筑高度，只能提供大约 2 秒的失重窗口。美国空间站此前的同类实验，观测时长也只有 1 秒左右。加州大学伯克利分校物理学家霍尔格·穆勒公开评价，7 秒是比 10 皮开尔文更硬的指标。地面未来或许也能做出极低温，但很难让原子在下落中悬浮 7 秒。
观察窗口被拉长到 7 秒，科学家相当于拿到了一台超长曝光的高速相机。微观原子飘动得越慢，在空中悬停的时间越久，环境扰动就越容易被剔除。精密测量的分辨率，会随着时间的拉长而成倍提升。
原世界纪录保持者、德国物理学家恩斯特·拉塞尔对此表达了由衷祝贺。中国科学院上海光学精密机械研究所研究员陈为彪表示，空间站冷原子实验柜向国际社会开放。空间站搭建起的这个极冷平台，未来欢迎全球科学家共同使用。
告别重力挤压，天宫实验舱立起精密测量新标尺
在太空中费力制造极低温与长久悬浮，最终指向的是基础物理学研究。它的首要科学目标，是检验爱因斯坦的等效原理（equivalence principle）。这项物理假说认为，在引力场中所有不同质量物体的自由下落加速度都保持一致。
科研团队未来可以让两种不同元素的冷原子在太空中同时释放。长达 7 秒的悬停时间，能把微观下落速度的对比精度推向新高度。超冷原子云还能化身为高灵敏度的引力探测仪。它可以在轨道上感知地球引力的微小起伏，监测地下水流向与极地冰川的消长。
地球表面做不出极冷的物理实验，是因为地心重力会把冷原子云压塌。中国空间站借助微重力环境，把两万颗铷原子降到了 9.7 皮开尔文。这比此前所有纪录至少冷了 4 倍。7 秒的自由悬浮窗口，让人类丈量微观量子世界与宏观引力法则的尺子变得更加锋利。
参考链接：
- Science 论文：Quantum gases below 10 picokelvin in space
- Science News 报道：China space station cold atom experiment creates record low temperature
- SCMP 报道：Chinese scientists chill atoms to record low on Tiangong space station
- DongA Science 报道：Chinese scientists break record for coldest temperature in space
