史上最低温度：太空中的10皮开尔文

史上最低温度纪录是多少？

目前报道的史上最低温度，是中国空间站上创下的9.7皮开尔文等效温度，成果于2026年11月5日发表在《科学》杂志上 ^[1][2]。1皮开尔文是1开尔文的万亿分之一，因此这些原子比绝对零度仅高不到万亿分之十开尔文 ^[2]。

这篇题为《太空中低于10皮开尔文的量子气体》（Quantum gases below 10 picokelvin in space）的论文报告了一个由2.0 × 10^4，即20,000个原子组成的玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC），在自由膨胀时间为7.0秒的条件下达到了该等效温度 ^[1]。研究团队使用的是铷原子 ^[2][3]。

《科学》的新闻报道称，这一结果使有史以来的最低温度降低了四倍 ^[2]。汉诺威莱布尼茨大学的量子物理学家恩斯特·拉塞尔（Ernst Rasel）的团队在2021年创下了此前的纪录，他对《科学》表示：“我向这些科学家致敬，我印象非常深刻” ^[2]。

许多新闻标题把这个数字取整为10皮开尔文。两种数字在报道中都会出现：论文报告的是低于10 pK，而《科学》的记者则把最终的原子速度描述为相当于约10 pK ^[1][2]。

10皮开尔文与太空相比有多冷？

比天文学家已知的任何天然环境都要冷得多。宇宙空间充满了宇宙微波背景辐射，NASA测得其温度约为2.725开尔文 ^[5]。用2.725 K除以9.7 pK可知，宇宙的背景辉光比天宫上的原子大约热2800亿倍。

绝对零度即0开尔文，相当于零下273.15 °C或零下459.67 °F ^[4]。在这些温标上，新纪录与绝对零度几乎无法区分，这正是物理学家使用开尔文及其微小分度单位的原因：

• 纳开尔文（nK）：十亿分之一开尔文。早期的BEC实验达到约100 nK ^[2]。
• 皮开尔文（pK）：万亿分之一开尔文。如今的太空实验已进入这一量级 ^[1][2]。

人们认为不可能恰好达到零。接受《生活科学》（Live Science）采访的物理学家赛巴尔·米特拉（Saibal Mitra）解释说，热力学第三定律的一种表述是：要达到绝对零度，需要经过无限多个步骤 ^[4]。

科学家是如何达到10皮开尔文的？

方法是在微重力环境中用激光捕获铷原子，让能量最高的原子逃逸，再让剩余的原子缓缓扩散 ^[2][3]。根据《科学》的报道，具体步骤如下 ^[2]：

1. 捕获：约200万个铷原子被束缚在宽54微米的内层光学阱中，该阱由两束强激光交叉形成。激光功率为5瓦。
2. 蒸发：功率被缓慢降至0.2毫瓦，让能量较高的原子逃逸。其余的20,000个原子冷却到3 nK。
3. 膨胀：原子被放入宽124微米的更大阱中扩散，这降低了它们之间相互作用的强度。最终它们的运动速度低于每秒100微米。

“我们保持原子数量不变，只有相互作用能发生变化，”该仪器的首席科学家、北京大学的陈徐宗表示 ^[2]。上海光学精密机械研究所补充说，光学阱中的蒸发冷却在微重力下效果较差，因此团队额外使用了磁场梯度来帮助产生凝聚体 ^[3]。

这台仪器是安装在空间站梦天实验舱内的冷原子物理实验柜，于2022年发射 ^[2][3]。该研究所表示，研发人员把一套约20立方米、10吨重的地面系统，缩小成了约0.7立方米、半吨重的飞行仪器 ^[3]。

9.7皮开尔文是真正的温度吗？

这是一个等效温度，描述的是原子运动有多慢，而不是温度计上的读数 ^[3]。上海的这家研究所表示，9.7 pK这一数字“刻画了原子极其缓慢的膨胀”，并不意味着设备或其周围环境也达到了同样的温度 ^[3]。

论文本身使用的就是“等效温度”这一说法 ^[1]。科学家根据释放后的原子云扩散得有多快来估算温度；扩散越慢，能量越低 ^[2][3]。《科学》给出的最终速度低于每秒100微米 ^[2]。Phys.org对这篇论文的报道给出了围绕9.7 pK数值的不确定度范围，即7.0至12.9 pK ^[7]。

在比较各项纪录时，这一区别很重要。此前38 pK的纪录以及NASA的52 pK，同样是根据原子云膨胀的快慢推算出的有效温度，所以尽管各实验的方法不同，比较的仍是同类物理量 ^[2][6][7]。把它与冰箱、行星或深空的温度相比，有助于建立直观印象，但并不是严格的物理学。

为什么纪录是在太空而不是地球上创下的？

重力会把超冷原子向下拉，迫使科学家用更强的阱来束缚它们，而这会使原子温度更高 ^[2][3]。《科学》解释说，重力把原子挤压在悬浮它们的场上，导致温度升高 ^[2]。在轨道上，阱可以做得弱得多，原子也可以被观测更长时间 ^[3]。

麻省理工学院物理学家、2001年诺贝尔奖得主沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle）这样说明7秒观测时间的意义：“在地球上，它会下落大约250米，所以除非有一个250米高的真空腔，否则它实际上会砸到地面” ^[3]。

此前摆脱重力的尝试包括让原子芯片从塔上落下，以及用亚轨道火箭搭载飞行 ^[2]。NASA于2018年把冷原子实验室送上国际空间站 ^[2]；2022年《自然·通讯》（Nature Communications）报道，在空间站上制备的玻色-爱因斯坦凝聚体达到了低至52 pK的有效温度 ^[6]。此前38 pK的纪录、2秒的自由膨胀时间，来自微重力环境下的原子芯片磁阱 ^[1]；《科学新闻》（Science News）称其为2021年发表的落塔实验 ^[6]。

中国的这台仪器的不同之处在于，它使用由激光构成的光学阱，而不是磁阱 ^[1][2]。论文指出，此前光学阱从未被用于在微重力下制备这类量子气体 ^[1]。

什么是玻色-爱因斯坦凝聚体？

玻色-爱因斯坦凝聚体是一种物质状态，在这种状态下，极冷的原子聚集成同一个量子波，并表现出集体行为 ^[2][3]。《科学》把它比作激光束中的光子，并指出BEC中的原子可以无阻力地流动，并产生干涉图样 ^[2]。

萨特延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose）和阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）在1924年预言了凝聚体；1995年两个团队首次制得凝聚体，一个用的是铷-87，另一个用的是钠-23，这项工作获得了2001年诺贝尔物理学奖 ^[2]。《生活科学》则描述说，凝聚体的行为类似于单个原子 ^[4]。

由于其效应在远大于单个原子的尺度上就能看到，BEC让研究人员可以直接研究量子行为 ^[3]。想以通俗的方式了解相关概念，请参阅Quantum Computing Explained for Beginners: What It Is and What It Is Not。本周的另一则太空科学报道，请参阅Euclid Telescope Data Release: What ESA's New Map Shows。

太空中的超冷原子能用来做什么？

主要用于精密测量和量子模拟；研究人员和独立专家都把这些描述为未来工作的方向 ^[2][3]。

• 检验重力：据《科学》报道，较长的膨胀时间非常适合做干涉实验，可用来检验重力对所有类型原子的作用是否相同，这正是广义相对论所假定的 ^[2]。“7秒比10皮开尔文是更重要的品质因数，”加州大学伯克利分校的霍尔格·米勒（Holger Mueller）说 ^[2]。
• 原子干涉仪：拉塞尔告诉上海的这家研究所，原子干涉仪的灵敏度与原子在仪器中停留时间的平方成正比，这类工具可以帮助测量地球重力场并检验暗物质模型 ^[3]。
• 量子模拟：团队计划使用光晶格，即模拟晶体的激光点阵，来模拟与高温超导相关的效应 ^[2][3]。
• 混合原子：巴黎北索邦大学的埃莱娜·佩兰（Hélène Perrin）指出，光学阱可以同时束缚处于不同内部状态的原子 ^[2]。

上海这家研究所的陈卫标对《科学》表示，该实验柜“向国际社会开放” ^[2]。目前，这些应用都还没有在这台仪器上得到演示。