宇宙中最酷的实验

2019-06-14 17:30:42

你能想到的最冷的地方是什么?南极冬季的气温下降至-120ºF(-85ºC)。在月球的黑暗面,它们达到-280ºF(-173ºC)。但在美国国家航空航天局国际空间站的冷原子实验室内,科学家正在制造更冷的东西。

冷原子实验室(CAL)是第一个产生“超冷”原子云的轨道设施,它可以达到绝对零度以上的一小部分:-459ºF(-273ºC),这是物质可以达到的绝对最冷的温度。在CAL这样的实验室中,没有任何物质可以达到温度,这意味着轨道设施通常是宇宙中最冷的已知点。

美国宇航局国际空间站的冷原子实验室经常是宇宙中最冷的已知点。但是,为什么科学家们产生的原子云比绝对零度高几度呢?为什么他们需要在太空中做到这一点?当然是量子物理学。

在2018年5月21日美国宇航局位于弗吉尼亚州的瓦洛普斯飞行设施向太空站发射七个月后,CAL每天都在生产超冷原子。五个科学家团队将在第一年开展CAL实验,三个实验已在进行中。

为什么冷却原子如此极低?室温原子通常像过度活跃的蜂鸟一样拉链,但是超冷原子比蜗牛慢得多。具体情况各不相同,但超冷原子比室温原子慢20多倍。这开辟了研究原子的新方法以及将其用于研究其他物理现象的新方法。CAL的主要科学目标是进行基础物理研究 - 试图在最基本的层面上理解自然的运作。

美国国家航空航天局的冷原子物理学家Rob Thompson说:“使用CAL,我们开始真正彻底了解原子在微重力中的表现,如何操纵它们,系统与我们在地球上使用的系统有何不同。”加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室和CAL的任务科学家。“这一切都将为我所希望的太空冷原子科学的未来奠定基础。”

地球上的实验室可以产生超冷原子,但是在地面上,重力会拉动冷却的原子云并迅速下降,科学家们只需要几分之一秒来观察它们。磁场可用于“捕获”原子并保持它们静止,但这限制了它们的自然运动。在微重力环境中,冷原子云漂浮的时间更长,科学家可以更深入地了解它们的行为。

制造冷原子云的过程始于激光,它通过减慢原子来降低温度。无线电波切断了该组最温暖的成员,进一步降低了平均温度。最后,原子从磁阱中释放出来并使其膨胀。这会导致压力下降,进而自然导致云温度再次下降(这种现象会导致压缩空气罐在使用后感到寒冷)。

在太空中,云的膨胀时间更长,从而达到的温度甚至低于地球上可达到的温度 - 低于绝对零度的约百亿分之一,甚至可能更低。

地球上的超冷原子设施通常占据整个房间,并且在大多数情况下,硬件暴露在外,以便科学家可以根据需要调整设备。建造一个空间冷原子实验室带来了一些设计挑战,其中一些改变了这些设施的基本性质。

首先,有大小问题:CAL以两件式飞到车站 - 一个比一个小型车大一点的金属箱,另一个大约是随身携带行李箱的大小。其次,CAL设计为从地球远程操作,因此它被建成一个完全封闭的设施。

CAL还具有许多以前从未在空间飞行过的技术,例如含有原子的专用真空室,这些原子必须密封得如此紧密,以至于几乎没有杂散原子可以泄漏。

该实验室需要能够承受飞行中的震动以及飞往空间站的极端力量。这些团队花费了数年时间开发出独特的硬件,可以满足太空中冷却原子的精确需求。

“系统的几个部分需要重新设计,有些部件以我们以前从未见过的方式破裂,”JPL天文学,物理与空间技术理事会和CAL项目经理的首席工程师Robert Shotwell说。“该设施必须完全撕裂并重新组装三次。”

自2012年任务开始以来,所有艰苦的工作和解决问题的能力使CAL团队的愿景在今年5月变为现实。CAL团队成员通过实时视频与国际空间站上的宇航员Ricky Arnold和Drew Feustel进行了交谈,安装了冷原子实验室,这是第一个在太空中运行的超冷原子设施,第一个到达地球轨道,第一个留在地球轨道上空间超过几分钟。在此过程中,CAL还满足了美国宇航局为使该任务取得成功而设定的最低要求,并提供了探索大自然神秘面纱的独特工具。