宇宙中最酷的实验室国际空间站冷原子实验

你能想到的最冷的地方是什么？南极洲冬季的气温下降到华氏度(85℃)。在月球的阴暗面，它们达到了华氏度(C)。但是在美国宇航局国际空间站的冷原子实验室里，科学家们正在创造更冷的东西。冷原子实验室是轨道上第一个产生“超冷”原子云的设施，它可以达到绝对零度以上零下的零度：华氏度(℃)，物质能达到的绝对最冷的温度。自然界中没有任何东西能达到像CAL这样的实验室所达到的温度，这意味着轨道设施通常是宇宙中已知的最冷的地方。年5月24日，冷原子实验室被送达年5月21日，从美国宇航局位于弗吉尼亚的Wallops飞行设施发射到空间站7个月后，CAL每天都在生产超级原子。五个科学家小组将在第一年对CAL进行实验，三个实验已经在进行中。冷原子被封装在保护层中为什么要把原子冷却到这么低的地方呢？室温下的原子通常像活跃的蜂鸟一样飞来飞去，但超级原子的移动却比蜗牛慢得多。具体情况各不相同，但超冷原子可能比室温原子慢20多万倍。这为研究原子开辟了新的途径，也开辟了利用原子研究其他物理现象的新方法。卡尔的主要科学目标是进行基础物理研究-试图在最基本的层次上理解自然的运作。加州帕萨迪纳NASA喷气推进实验室冷原子物理学家罗布·汤普森(RobThompson)说：“有了CAL，我们开始真正深入地了解原子在微重力中的行为、如何操纵它们、系统与地球上使用的系统有何不同。”他是加州帕萨迪纳的喷气推进实验室的冷原子物理学家，也是CAL的任务科学家。“所有这些知识都将为我所希望的太空冷原子科学的长远发展奠定基础。”地面测试工作地球上的实验室可以产生超古老的原子，但在地面上，引力吸引着冷却的原子云，它们很快就会下落，科学家们只需几秒钟就能观察到它们。磁场可以用来“捕获”原子并使它们保持不动，但这限制了它们的自然运动。在微重力中，冷原子云漂浮的时间要长得多，这使科学家们对他们的行为有了更广泛的了解。形成冷原子云的过程是从激光开始的，激光通过减缓原子的速度来降低温度。无线电波切断了群体中最温暖的成员，进一步降低了平均气温。最后，原子从磁阱中释放并允许膨胀。这导致压力的下降，这反过来又自然地导致云的温度再次下降(同样的现象导致一罐压缩空气在使用后感到寒冷)。在太空中，云的膨胀时间比地球上的温度还要长，达到更低的温度-比绝对零度高出大约十亿分之一度，甚至更低。地球上极陈旧的原子设备通常占据整个房间，而且在大多数情况下，这些硬件都是暴露在外面的，这样科学家们就可以在需要的情况下对仪器进行调整。为空间建造一个冷原子实验室提出了若干设计挑战，其中一些挑战改变了这些设施的基本性质。首先是大小问题：卡尔分两部分飞到空间站-一个比迷你山脊大一点的金属盒子和一个随身携带行李箱大小的第二个箱子。第二，CAL的设计是从地球远程操作的，因此它是作为一个完全封闭的设施建造的。CAL还提供了许多以前从未在太空中飞行过的技术，比如含有原子的专用真空电池，它们必须密封得如此严密，以至于几乎没有杂散原子能够泄漏进去。该实验室需要能够承受发射的震动和向空间站飞行过程中所经历的极端力量。这些团队花了几年时间才开发出能够满足太空原子冷却精确需求的独特硬件。“这个系统的几个部分需要重新设计，一些部件出现了我们以前从未见过的故障，”JPL天文、物理和空间技术局的总工程师、CAL项目经理罗伯特·肖特威尔(RobertShotwell)说。“该设施必须彻底拆开，重新组装三次。”自年特派团成立以来，所有艰苦的工作和解决问题的努力使CAL团队的愿景在今年5月成为现实。卡尔的团队成员通过现场视频与国际空间站上的宇航员里基·阿诺德(RickyArnold)和德鲁·富斯特尔(DrewFeustel)进行了交谈，以安装冷原子实验室(ColdAtomLab)。冷原子实验室是太空中运行的第二个超级原子设施，是第一个到达地球轨道的原子设施，也是第一个在太空在此过程中，CAL还满足了NASA认为这项任务成功的最低要求，并为探索大自然的奥秘提供了一种独特的工具。CAL是在JPL设计和建造的，由设在休斯顿的美国航天局约翰逊航天中心的国际空间站方案以及设在华盛顿的美国航天局人类探索和行动任务总局的空间生命和物理科学研究和应用司赞助。本文图片均来源于网络，版权归原作者所有。

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