研究基础物理学空间站为何成为关键一招？|全球要闻

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研究基础物理学空间站为何成为关键一招？|全球要闻

2023-03-15 08:58:02 来源：中国网

央广网北京3月14日消息据中央广播电视总台中国之声《新闻超链接》报道，随着2022年梦天实验舱成功发射，与天和核心舱对接转位，天宫空间站的“T”字基本构型完成建设。梦天实验舱上搭载了众多科学仪器，能辅助科学家完成众多基础物理实验。

(资料图片)

我们为什么要在外太空做实验？空间站和地面的环境差异对实验有何影响？天宫空间站基本建成，对我国基础物理研究而言，将带来哪些新机遇？近日，北京大学电子学院教授、超冷原子物理实验柜科学实验系统首席科学家陈徐宗通过中国科学院《科学公开课》，讲明了空间站对于基础物理学的重要性。

空间站如何让原子更逼近绝对零度？

绝对零度，对应－273．15摄氏度，其热力学温度标记为0K。理论上来讲，若粒子动能低到量子力学的最低点时，物质即达到绝对零度，粒子振动消失。为追求对微观世界理想的观测条件，更好探索基础物理学的奥秘，人类已经在逼近绝对零度、创造极低温环境的探索道路上摸索了上百年。

1908年，荷兰物理学家昂内斯通过液化氦气，获得了约1K的超低温。如今液氦被广泛应用于核磁共振成像等医疗领域。戴维·李等科学家通过氦－3达到了mK（10＾－3）级别的极低温，并发现了氦－3的超流现象，因此获颁1996年诺贝尔物理学奖。次年同一奖项被颁发给发展了激光冷却法的朱棣文等科学家，他们通过这一技术，将气体原子冷却后达到了μK（10＾－6）级别的极低温。此后又有科学家通过蒸发冷却法获得玻色凝聚，达到了nK（10＾－9）之小。

陈徐宗介绍，这已经是地面上实验的极限。想要更进一步，达到pK（10＾－12）甚至fK（10＾－15）级别，必须求助于外太空微重力环境。以蒸发冷却为例，在冷却时，先让简谐势阱装载原子，动能大的热原子在上，冷原子在下。之后降低势阱势垒高度，使热原子逸散，冷原子留存，达到冷却目的。当受到地球重力影响时，简谐势阱会产生豁口，势垒高度在降低过程中冷原子从豁口处逸散，导致冷却失败，原子扩散膨胀。

此外，由于无重力干扰，被观测到的原子不会向下掉落，而是停在原有位置，给予了科学家非常有利的观测条件。

天宫如何助力物理学超越标准模型？

1927年第五次索尔维会议召开，爱因斯坦、波尔、薛定谔、海森堡等物理学家齐聚一堂，讨论新近发表的量子力学，引发诸多争论，暴露出量子力学的不完备。过去一百年里，有关量子力学的理论不断发展，但对于诸多问题仍然无解。如何给出超出标准模型的物理？如何给出超出广义相对论的物理？这正是现阶段空间基础物理的努力方向。

空间基础物理牵扯到量子物理、量子模拟、引力物理、爱因斯坦等效原理、暗物质和暗能量等方面。要研究它们，需要用到包括冷原子技术、光子技术，以及在冷原子技术上发展起来的原子干涉仪、原子钟。天宫空间站，以及诸多科学卫星，为这些新技术搭建起了理想的平台。

具体而言，除了超冷原子物理实验柜以外，梦天实验室还搭载了冷原子干涉仪、锶原子光钟、铷冷原子微波钟等空间基础物理实验柜。借助微重力的环境、更低的温度、长相互作用时间，可发现在地面上观察不到的实验现象，开展新的量子模拟实验，检验量子理论，检验爱因斯坦等效性原理。

暗物质总是找不到？试试轻点的

巡天望远镜计划将在今年发射升空，与天宫空间站共轨飞行。届时将对暗物质、暗能量进行探测。暗物质指不与电磁力产生作用的物质，因此不会吸收、反射或发出光。据陈徐宗介绍，其存在可以解决大爆炸理论的不自洽性。普遍认为，整个宇宙中，“亮”的常规物质仅占4％，暗能量、暗物质加起来占到96％，已经有不少天文观测可佐证暗物质的存在。

通过过去几十年对加速器、卫星（如“悟空号”）的寻找，人类还尚未得出大质量暗物质存在的直接证据。近年来，对“轻得像雾”一样的超轻质量暗物质的探测开始受到关注，包括轴子、伸缩子等一系列情形，它们的能段大约为10＾－24eV－10＾3eV。这也是空间站未来的重要研究课题之一。

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