空间冷原子物理及应用探索.pdf

基础研究 载人航天 2 0 1 1 年第 5期 空间冷原子物理及应用探索 吕宝龙 1 刘 亮 z 刘伍 明 s 陈徐 宗 4 ( 1中国科学院武汉物理与数学研究所2中国科学院上海光学精密机械研究所 3中国科学院物理研究所4北京大学信息科学技术学院) 摘要介绍 空间冷原子物理领域现状 ，论述微 重力环境下冷原 子物理特 色与优 势的 基础 上，指 出空间冷原 子体 系为原子分子物理 的前沿领域 ，为精密物理测量提供 了不可 取代的强；k： r- -g ，讨论 了空间冷原子物理在量子仿真、新物态、基本物理规律的验证以 及高技术开发等方面的应用。 关键词微重力冷原子 空间站 分类号V 4 1 9 + 2 文献标识码A文章编号 1 6 7 4 5 8 2 5 ( 2 0 1 1 )0 5 0 0 3 3 0 6 l引 言 以玻色一 爱 因斯坦凝聚( B E C) 为代表的冷原子 物理正处于蓬勃发展阶段。冷原子是人工制造的最 接近绝对零度的物质 ， 也是 自然界 中最冷的物质 。 冷 原子系统所展现出的独特的量子力学波动性 、宏观 量子相干性以及人工可调控性，使它成为物理学中 前所未有的全新量子物质。冷原子系统易于人工控 制而且纯度高，所以可以实现一些在传统的凝聚态 系统中达不到的参数区域。光晶格势阱囚禁下的冷 原子玻色系统已经成功应用 于玻色 H u b b a r d模型的 研究， 实现了强相互作用极限情况下的T o n k s 气体。 冷原子物理最近几年主要研究方向集中在 B E C的 光场量子操控 、 量子仿真 、 量子新 物态 、 超低温量子 相变、 超冷极性分子等方面 。 代表性的工作包括光晶 格 中 B E C的强关联特性 、 人工模拟晶体 、 超流一 Mo t t 绝缘相变， 还包括费米凝聚态 ， 例如费米简并气体、 B C S B E C转变 、 分子凝聚体 、 超低温极性分子等。此 外 ， 最近实验上实现 了 B E C的人造规范势并产生了 量子涡旋【 l J 。近期的研究表明 ， 利用光场操控下的超 冷原子可能实现超固态、 玻色量子霍尔态、 阻挫相等 一 系列奇异物态。 毫无疑问， 冷原子物理的进展为研 究包括高温超导在内的强关联系统、 量子多体系统、 量子化学过程等打开了全新的视野。 除了基础物理领域之外 ，超冷原子系统在许多 高新技术 的领域也展现出诱人的应用前景。利用冷 原子的量子波动性来构造高精密原子光学器件 ， 如 原子干涉仪和陀螺仪 ， 相比对应的同类光学器件 ， 有 着无可 比拟 的超高灵敏度。冷原子与光晶格的结合 可以获得近似静止的原子系统，有可能将冷原子光 钟的精度提高到 1 0 的量级。高精度冷原子光钟不 仅用来检验或验证基本物理定律 ，还可直接用于空 间导航 、 深空探测以及大地测量等。 然而， 在地面实验室内， 重力的存在对冷原子实 验施加了诸多限制。尤其关键的是 ， 重力妨碍了原子 的深度冷却，使地面实验室获得的冷原子温度很难 突破 1 O K ( n K) 量级。 而在微重力环境下， 这些限制 都可以克服 ， 有望获得 1 0 K( p K) 量级甚至于 l O K ( f x) 量级 的超低温度 ， 从而使原子充分 “ 冻结” 以突 显原子系统的量子效应 ， 使人们能够在前所未有的 参数区域中进行超低温量子气体的研究并开发冷原 子的应用 。 因此 ， 空间冷原子物理在国际上受到普遍 重视 。欧洲各国空间科学实验主要通过欧洲航天局 ( E S A ) 执行。E S A的空间科学任务之一就是“ 激光冷 来稿日期： 2 o 1 1 - o 7 2 6 ； 修回日 期 ： 2 O l l o 8 - 2 1 。 作者简介： 吕宝龙( 1 9 6 7 0 2 一 ) ， 男， 博士， 研究员， 主要从事超冷原子物理与应用研究工作。 3 3 万方数据 载人航天 2 0 1 1 年第 5期 基础研究 却在基石 ： 物理 中的应用” 。国际上第一个在微重力环 境 下的 B E C研究项 目是欧洲 的 QU A N T U S计划日 。 QU AN T U S的目标是在微重力环境下进行 B E C和简 并混合气体 的研究 。目前 ， Q U A N T U S的落塔实验 已 经获得 r 微重力环境下的 B E C t 2 1 ， 但落塔有 限的微重 力时间使实验研究难 以深入。 Q U A N T U S项 目的下一 步 计划涉及芯片表面的 B E C、 铷和钾双元素混合等。 美 国 问科学研究由 N A S A领导。 N A S A支持基础物 理研究 已经有数十年的历史 ，最初的研究项 目集中 在“ 低温与凝聚态物理 ” ， 近年来又增加了对“ 激光冷 却与原 予物理” 的支持。N A S A在支持空间物理实验 的同时， 也广泛支持许多基于地面环境的预研项 目。 我 围在空 间冷原子物理研究 尚处于酝酿 阶段 ， 已形成 了具有 国际先进水平的理论研究团队。实验 方面 ，日前有 6个实验室 已经获得了冷原子物理的 标志性成果 ， 即 B E C， 并取得 了一批实验研究成果 。 另外， 还有一大批实验室正在从事冷原子 冷离子物 理及其应用研究。因此 ， 我国已具备了开展空间冷原 子项 目的理论与技术基础 。 2空 间冷原子物 理的特点 在地面的冷原子实验 中，为避免原子在重力作 j 下逃逸 ， r人 J 禁势阱必须保持足够 的深度 。然而 ， 当 需要更低的原子温度时 ，人们又期望 囚禁势阱持续 地减弱 ，使原子云得到进一步的蒸发冷却 或绝热膨 胀冷却。 这一矛盾在重力环境下很难解决。 地面实验 室的冷原子低温 记录为 0 4 5 n K 1 3 ， 是诺贝尔奖获得者 K e t t e r l e的研究组在利用磁 场力抵 消重力 的条件下 得到的。这种方法存在很大的局限性 ， 只能看成是对 微重力环境 的初步模拟。但是他们的实验结果至少 预示 ： 微重力环境更有利于原子云的深度冷却。 微重 力环境的优势主要在于以下几个方面4 1 ： ( 1 )在微重力环境下 ， 因无需补偿重力势 ， 冷原 了气体 的 禁势可以绝热地降低到任意大小 ，从而 使量子气体的温度降低到地面上前所未有的水平。 如果将冷原子的温度从 n K量级推进到 p K甚 至 量级 ， 原子的热效应被充分抑制 ， 许多微妙的新奇量 现象与量子物态将呈现出来 。 ( 2 )对地面系统中的超冷原子 ，引力 势在冷原 子云尺寸内的变化甚至超过 了原子的热动能 ，成为 系统扰动的主要 因素之一 。 而在微重力环境下 ， 原子 几乎感受不到引力势的变化。 ( 3 )微重力环境下还 可以实现超大尺寸 B E C， 从而更精确地控制和观测宏观相干物质波 。具有极 低温度 与超 大尺寸 的 B E C不仅在更 为宏观 的空问 范围内展示物质波的非定域特性 ，而且极大地抑制 了原子系统的有限温度效应 ，为研究纯净的量子相 变过程 提供 了可能 。同时 ， 由于在大尺寸 B E C中超 弱长程效应变得尤为重要 ，因此有可能观察到全新 的低能量子相变 。 ( 4 ) 地面环境实现的 B E C的寿命受制于原子之 间的三体复合效应， 一般不超过秒的量级。 而微重力 环境 中弱 囚禁下 的超大尺寸 B E C可 以达到很低 的 空间密度 ， 三体复合效应受到极大抑制 ， B E C的寿命 也随之大大延长 。 因此 ， 人们可望在微重力环境下实 现对物质波的长时间量子操控与测量 。一些光晶格 系统量子相变所要求的绝热变化条件在地 面上难以 达到 ， 而在微重力环境下可以得到充分满足。 ( 5 ) 在微重力环境下 ，超冷原子气体 的扩散主 要取决于气体的温度和气体内部的碰撞 ，因此原子 样品和外场作用时间可以极大地增加 。这在原子相 干计量领域( 冷原子钟 、 冷原子干涉仪等 ) 至关重要 。 ( 6 ) 微重力环境在研究不同量子气体混合研究 方面也有不可替代 的优势。不 同原子在微重力环境 下遭受相同的引力势 ， 因此可以完美地叠加。 可 以预 见 ，在微重力环境下量子气体 的混合将给出全新的 物理现象。 原子体系的温度如果在现有的基础上再降低几 个数量级 ， 更加逼近绝对零度 ， 将呈现什么样 的奇妙 量子现象， 在理论上还无法完全预测。 相关的探索研 究有可能给基础物理及精密物理测量领域带来突破 性的进展。 3 空间冷原子 物理的研 究领 域 空 间冷原子物理必须利用 以上提到的微重力环 境优势 ， 研究和解决物理学 的基本问题 ， 可能在量子 仿真 、基本物理规律的验证以及新物态的研究方面 取得重大突破。 3 1空间冷原子的量子仿真 空 间微重力环境进一步增强 了冷原子系统 的人 工可调控性。 通过调控冷原子 、 冷分子间的相互作用 以及化学反应过程 ，可以模拟强相互作用多粒子系 万方数据 基础研 究 载人航天 2 0 1 1 年第 5期 统 ， 研 究其运动规律 。甚至 ， 在空间实验室 中仿真 中 子星、 超新星等。可实施 的研究项 目举例如下 ： 3 1 1空间简并费米气体仿真中子星演化 超新星爆发是最壮观的天文现象 ，也是一个长 期未解之谜。 超新星核在塌缩过程 中， 其物质态要经 历剧烈的变化。理论预言 ， 在塌缩的最后阶段 ， 位于 超新星核中心区域的原子核将形成杆状或板状 的物 质结构 帕斯特( P a s t a ) t 。帕斯特在超新星核的物质 中占有 1 0 2 0 的份额 ， 直接影响着超新星爆发 的 动力学行为。帕斯特 同样存在于中子星的外壳 中， 淹 没在处于超流态的“ 自由” 中子气体内。 然而 ， 帕斯特 的形成机制仍是悬而未决的问题。解决这些问题的 途径之一是微重力 环境下 的超冷原子仿真实验 ， 这 是因为当中子之间的距离在一定范围时，中子气体 所呈现的普适性质与幺正费米气体类似 6 1 。例如 ， 一 维光 晶格中的超流 幺正费米气体类似于超新星在帕 斯特阶段 的板状原子核。相关的实验可借助于磁场 F e s h b a c h共振 以及光晶格等调控手段 。磁 场 F e s h b a c h共振用以调节原子间的相互作用强度 ，从而驱 使超冷费米气体达到幺正极限。调节光晶格的强度 可 以模拟超流中子的动力学行为 ，进而认识帕斯特 的成因。另外 ， 在 幺正极限下 ， 量子简并气体的各种 性质具有普适性 ， 由粒子数密度 n和温度 T确定 。 因 此， 研究简并费米气体在幺正极限下的各种性质， 对 于理解高温超导、 中子星、 夸克一 胶子等离子体等物 理现象有重要帮助。 尤其重要的是 ， 通过调控二分量 简并 费米气体 ，可研究其热力学性质和流体动力学 性质 ， 如熵密度 s ， 物态方程 ， 切变粘滞系数 1 1 等。通 过计算 “ q s 可以检验完美流体( p e r f e c t fl u i d ) 理论 ， 甚 至可以在空间实验室“ 制造 中子星” 并研究其各种性 质 ， 这将大大促进对宇宙起源和演化的研究 。 3 1 2空间 B E C仿真超新星爆发 B E C还可 以用来制造玻色超新星( B o s e n o v a e ) 。 一 种类似于超新 星爆 发 的小 型爆 炸现象 。当一个 B E C的 自相互作用被调节为吸引作用时 ， B E C先塌 缩 ， 然后突然爆炸I 7 j。部分原子在爆炸中消失( 探测 不到) ， 剩余的冷原子仍存在于囚禁势阱中。近期的 实验证实 ，偶极一 偶极相互作用 主导的 B E C则呈现 d 一 波塌缩与爆 炸行为嘲 。在空间站微重力环境中， 能 够大幅度地提高玻色超新星的临界原子数 ，从而显 著增强爆炸过程 的可观测效应 ；而且有可能把冷原 子的温度降得足够低 以便获得原子对 的玻色凝 聚。 此外， 结合高分辨的原位探测技术， 人们还能够在更 长的时间尺度 内更精 细地 观测爆炸过程 中的 B E C 碎型 。 3 1 _ 3超冷原子仿真黑洞辐射 三十多年前霍金从非均匀重力场背景上的物质 场 的基本 量子处理 出发意识到黑洞会 向外 辐射能 量 ，这一出乎意料 的量子效应从根本上改变了一些 黑洞演化的命运，再一次提醒人们关注量子力学的 奇特之处。今天霍金辐射被认为是现代物理的一个 里程碑 ， 是天文物理学 中最吸引人的问题之一 ， 技术 上非常困难的霍金辐射的天文观察也成 为越来越重 要的课题 。U n r u h在 1 9 8 1 年提出霍金辐射的物理可 以在任何可以发展出视界类似体( 声子视界等) 的系 统中验证9 1 。 超冷原子气体的出现让 U n r u h的想法见 到了实验上的曙光；这主要得益于超冷原子气体的 高度可调控性和灵活性 ， 比如相互作用强度 的可调 ， 气体密度和外加束缚势的调节等等。 所以， 超冷原子 气体为霍金辐射的验证和深入研究提供了一个过去 无法想象的理想的实验平台，在这方面的任何实质 性的突破和进展都将因为具有基础性的意义而载于 史册。对于流动的一维原子 B E C ，数值模拟结果预 言 ，声波视界中的 B o g o l i u b o v声子发生霍金辐射口 o l 。 微重力环境 下的超低 温 B E C样 品确保 了量子动力 学行为不会被杂散的热噪声淹没，也易于实现实验 所需要的空间构型 。 3 2 空间冷原子验证基本物理规律 利用冷原子 、分子系统 以及新近发展的精密测 量技术，可以在新的量子层面测量一些重要物理参 数， 例如电子的电偶极矩、 电子一 原子核质量比、 精细 结构常数、 重力加速度等。 这些研究对于检验和发展 标准模型 、大统一理论 以及宇宙的起源和演化具有 重要意义。 3 2 1光 晶格 空间冷原 子验证超 弦理论及基 本物理 规律 利用冷原子系统来验证弦理论 中一些普遍 的结 论是很有价值的思想。目 前的研究主要集中在幺正 极限下的费米子系统( 利用 F e s h b a c h共振技术 ， 这方 面实验上 已经积累了很多的数据 ) 。在绝对零度下 ， 外磁场 的共振点对应着量子相变点 ，而量子相变点 区域的性质可以由弦理论里面的A d s C F T对偶来研 3 5 万方数据 载人航天 2 0 1 1 年第 5 期 摹础研究 究。A d s C F 对偶有一个重要 的理论结果就是预言 _ r 切向粘度 熵密度的值( 上下限 ) 。而这个值在冷原 子系统中( 幺正极限下的费米 子系统 ) ， 可 以由呼吸 模的阻尼速率来提取。利用 A d s C F T对偶来研究 幺 正极 限下的费米子系统 的性质 ， 最大的问题是 ： 原来 A d s C F T对偶预言的切向粘度 熵密度上下限涉及的 是一个相对论性 的系统 ，而 幺正极限下的费米子系 统则是一个非相对论性的系统。理论方面， 弦理论家 做了一些初步的非相对论的推广。 3 2 2检 验 大统 一理 论 大统一理论认为 自然界 的基本物理常数可能随 时间和空间变化。 对 自然界史前核反应堆( O k l o核反 应堆 )的研究表明 ，精细结构常数 仪的漂移率小于 1 1 O - 1 7 y r。而对遥远星云特征吸收谱线的红移测量 则表明精细结构常数很可能随时间变化。实验室中 通过测量原子特定谱线 的变化进而研究精细结构常 数的变化已进行 多年。相对而言 ， 它具有可靠 、 可重 复以及可控等优点 ， 但 明显的不足是时间跨度短。冷 原子 、 分子系统 ， 特别是超冷原子 、 分子体系 ， 为测量 精细结构常数 的变化提供了更精密的手段 。 电 _ 一 质子质量 比 的变化可能与暗能量有关 。 大统一理论认 为电子一 质子质量 比 的变化可能 比 精 细结构常数的变化大 3 0倍l 1 1 1 ， 因此对 的测量是 一 种更为灵敏的研究基本常数变化的手段。遗憾的 是 ， 对 的测量还没有达到与精细结构常数 同等 的精度 天文学上 ， 通过测量星云中中性 H： 分子的 振动谱线得到的精度有限。 在空间站环境 ， 数 目巨大 的超冷分 子( 1 0 ) 可以囚禁相 当长时间( l s ) ； 而且 可以极化分子 ，使其处 于某一振动态或者某一磁能 级一 l 。 所以， 微重力环境下的冷原子和冷分子为精确 测量 提供 r新的途径。 3 2 3探测宇宙中的引力兰姆位移 众所周知 ，电子能级的兰姆位移是 电磁场 的真 空涨落引起 的电子能级移动 ，而时空的零点真空涨 落( 即引力波背景涨落) 也应该有类似的效应； 但是 这种效应极弱， 现有原子干涉仪的精度远远不够。 理 沦预测I t 2 i ， 宇宙 中的引力波背景涨落可 以使 长条状 的超大 B E C产生能量移动 ，即所谓 的引力兰姆位 移 。这种效应在实验上是可观测的。当然 ， 只有在空 间实验室内才能制备出满足要求的超大 、 超冷 B E C ， 获得长时间的相干I 生以利于能谱的激发与测量 。该 3 6 实验只需要单种原子的凝聚体 ，比多种原子混合体 系更容易实现。 3 3空间冷原子制备奇异物态 人们一直期望利用超冷原子实现多种新 物态 ， 从而为新型量子器件的开发提供理论依据 。原子体 系在其热运动被充分“ 冻结” 后所呈现的量子特性是 所有新物态赖 以存在的基础。因重力的影响， 目前地 面实验室的超冷量子气体的温度及空间尺寸 已经成 为限制冷原子物理发展 的技术瓶颈 。空间站实验平 台是突破这一瓶颈 的关键所在 。借助于空 间站的微 重力环境可以探索一系列奇异物态。 所谓奇异物态是指其特性不能用传统理论解释 的物态 以及相关相变的新物态 ， 例如 ： 过去人们遇到 的任何凝聚态系统都可以用朗道理论来描述 ，但是 是否存在不可用朗道理论来描述 的新凝聚态 系统 ， 准确地说是否存在不能用朗道非对称破缺理论描述 的新物态?理论曾预言 ，分数量子霍尔效应物态具 有不能用朗道非对称破缺理论描述的特性 。 然而， 此 类物态的需要在极低温度下才能存在 ，如在温度达 到 p K或 l K的条件。因此搭建空问超冷量子气体平 台， 是探索奇异物态或新物态的必备条件 。 理论研究表 明，还有其它很多种不能用朗道非 对称破缺理论描述 的特性的奇异物态 ， 如 ： 白旋液体 态 、 二聚态 、 耵通量态等。这些物态都可以利用超冷 量子费米气 体或玻色气体加 激光构成几 何 晶格 而 成 ， 并通过调节物理参量构筑不同的相互作用势垒 ， 形成不同形式 的奇异物态。 通过激光的操控 ， 还可以 进一个研究这些物态的相变。以下介绍几种理论上 研究比较多的奇异物态。 3 3 1玻 色量子霍尔态 在理论上已经被广泛研究 ，但实验上还没有被 证实的玻色气体的量子霍尔效应 目前受到广泛的关 注 。 理论研究表明， 填充因子 v为 1的玻色量子霍尔 态包含非阿贝尔任意子 ( 既非玻色子义非费米子的 准粒子激发 ) 。 这为揭示难以琢磨 的任意子 的基本性 质提供 了新手段。由于非阿贝尔任意子可，【_ j 来实现 拓扑量子运算 ，相关研究还可能从原理上实现和检 验拓扑量子运算。人造规范势的技术使 中性原子象 电子一样感受到洛仑兹力 ，而且这种等效磁场远远 超过实际磁场 的强度 ，从而可以驱动光 晶格中的玻 色量子气体进入玻色霍尔态 。 万方数据 基础研究 载人航天 2 0 1 1 年第 5期 3 3 2分数量子霍尔态 人们在电子系统中已经观察到，但其物理本质 尚未最终解决。利用 中性冷原子的人造规范势技术 来产生超强的有效磁场 ， 并结合二维光晶格技术 ， 可 以模拟费米气体的分数量子霍尔态。 3 3 3拓扑绝缘 态 拓扑绝缘体 的一个重要标 志是所谓 的边缘态 。 该边缘态可能在信息科学中有巨大的潜在应用 。超 晶格和特定结构 的有效磁场 中的玻色气体可能存在 一 种呈现环状密度分布的边缘态 。而这种边缘态可 用 C C D成像方法直接探测 ， 所以有助于直观地理解 拓扑绝缘体的基本性质 ，并使得边缘态 的量子动力 学实验研究成为可能。 4 空间冷原子的高技术应用 利用空间冷原子实现原子光学器件 ，并以此构 成各类冷原子仪器是空间冷原子物理研究的一个重 要推动力。微重力环境以及原子可获得 的超低热运 动速度不仅能够大幅度地延长冷原子样 品的相干探 测时间 ， 而且便于优化对冷原子样品的其它调控 ； 所 以空间冷原子光学仪器具有地面环境下无法企及的 精度指标 ，甚至可能提供当传统仪器不具备的新特 性。仅以以下三种仪器为例。 4 1空间冷原子干涉仪 原子干涉仪的高精度测量在空间导航上有许多 应用 ， 比如空间惯性导航 、 卫星轨道姿态控制等 。对 时间频率 、加速度和角动量 的高精密测量可以用来 确定绝对惯性参考系， 使得卫星 、 空间站 以及深太空 探测器等可以在没有 G P S导航系统的条件下长 时间 定位导航 ， 并进行卫星的姿态调整 。 对于地面环境下 的原子干涉仪 ，重力限制 了原子 的自由飞行时 问和 相干波长等 ， 从而限制了干涉仪的测量精度 。 微重力 环境可以将原子 的自由飞行时间提高到秒以上 。其 次 ， 空 间环境下可以达到更低 的原子系统温度 ， 即原 子系统的弥散速率更低 ； 在相 同的光束作用下 ， 可以 大 幅度增加相互作用时间并大幅度增加相干长度 。 因此 ，空间的微重力环境有助于提高原子干涉仪的 测量精度。 在地面实验室环境下 ， 重力仪和重力梯度 仪的相互作用时间最多只能在秒的量级 ，原子陀螺 仪则 只有几十毫秒相互作用时间 ，作用长度往往要 达到 l m以上 ； 而在空间微重力环境下 ， 原子的相互 作用时间可以提高到几秒到十几秒 ，作 用长度缩短 到几十厘米。因此微重力环境条件不仅有利于缩短 有效作用区的真空腔长度，又能大大提高干涉仪的 分辨率 。 4 2空间冷原子光钟 空问冷原子光钟的工作介质为囚禁于光 晶格 中 的超冷原子。 微重力环境下 ， 能够使用较弱的晶格光 场 ， 相应的高阶光致频移( 张量频移 、 双光子频移等 ) 随之减小。另外 ， 由于冷原子的温度更低 ， 原子在 晶 格基态的布居比例显著增加，提高了钟跃迁探测的 信噪 比。这两方面的改进将显著提升空间光钟的准 确度。 4 3空间冷原子微波钟 微重力为原子微波钟提供了优异的工作环境。 由于克服了重力的影响，冷原子与微波相互作用时 间可大幅度增长。原子与微波的相互作用时间如果 选在 1 0秒量级 ， 则谱线宽度在 0 1 H z 量级 ， 预期空 间冷原子中的准确度达到或优于 1 0 量级 。如果采 用深度冷却的原子样品 ，原子热运动在微波频率 的 多普勒频移可以降到m H z 量级。近似静止的超冷原 子样品不仅提供了更长的作用时间，而且允许更大 的探测空间和更多的原子数。 可以预计 ， 空间冷原子 微波钟 的性能将远远优于地面原子钟 ；星载冷原子 微波钟有可能成为下一代全球定位系统的原子钟。 5结束语 空间冷原子物理实验要求光学系统及真空系统 具有很高的环境适应 l生，特别是抗冲击 、抗辐射能 力 。空间站内有限的实验空间也要求所有仪器设备 尽可能轻小型化。 另外 ， 整套实验系统最好做到无人 值守下的自动运转； 即使需要人为干预， 其操作程序 要做到简单易行。 规划空间物理实验的同时 ，必须平行进行地面 环境 的研究项 目。这是非常必要而有益 的。首先 ， 地 面实验室进行的实验有助于初步了解现象 ，摸清实 验环节和难点 ， 从而给出空间实验的内容。其次 ， 只 有依靠广泛的地面研究项目，才能筛选出那些真正 值得去太空做的实验项 目，而后者是地面实验的自 然延伸与提升。最后 ， 一个要在太空进行物理实验 ， 必须首先在地面尽可能的进行预演 。 只有这样 ， 才可 以确定一个高度复杂 的物理实验是否能在空间实验 3 7 万方数据 载人航天 2 0 1 1 年第 5 期 基础研究 室里成功完成 。部分研究项 目可以使用 国内落塔上 的微重力环境进行初期预研 。 空问冷原子物理是空间基础物理的一个重要发 展方向， 与空间科学 中长期发展规划符合。空间微重 力状态为冷原子物理提供 了一个在地面上无法获得 的理想的实验环境 ， 创造 出新 的极限条件。空间冷原 子物理纵深研究对基本物理问题 的探索 、对人类知 识的拓展 、 对空间科学的发展 、 对 国防和科学技术的 发展有着重要的意义。 参考文献 l 1 J Y 一 J L i n ，R L C o mp t o n ，K J i me n e z Ga r c i a ，J V P o r t o ， a n d I BS p i e l ma n S y n t he t i c ma g n e t i c f i e l d s f o r u hr a c o l d ne u t r a l a t o ms Na t u r e2 0 0 9 4 6 2 ：6 2 8 6 3 2 2 h t t p ： w ww i q o u n i - h a n n o v e r d e q u m a u s f 3 AE L e a n h a r d t ，T A P a s q u i n i ，MS a b a ，AS c h i r o t z e k ，Y Sh i n，DKi e l p i n s k i ， DEP r i t c h a r d，W Ke t t e r l e Co o l i n g Bo s e - Ei n s t e i n Co n d e n s a t e s Be l o w 5 0 0 Pi c o k e l v i n S c i e n c e 2 0 03 3 01 ： l 5 l 3一l 5l 5 4 胡文瑞 微重力科学概论 第九章、 第 3 8 0 3 8 1 页； 科学出版社 ， 2 0 1 0年 l 1月出版 5M H a s h i mo t o ，H S e k i ，a n d M Ya ma d a S h a p e o f n u c l e i i n t h e 3 8 e rn s t o f n e u t r o n s t a r Pr o g Th e o r P h y s 1 9 8 4 7 1 ： 3 2 0 3 2 6 6 j G Wa t a n a b e S i mu l a t i n g P a s t a p h a s e s b y m o l e c u l a r d y n a mi c s a n d c o l d a t o ms Pr o g r e s s o f T h e o r e t i c a l Ph y s i c s S u p p l e me n t 2 01 0 N0 1 8 6 ： 4 5 -5 0 1 7 J E A D o n l e y ，N R C l a u s s e n，S L C o r n i s h ，J L R o b e r t s ，E A Co rne l 1 ，a n d CEWi e ma n Dy n a mi c s o f c o l l a p s i n g a n d e x p l o d i n g Bo s e Ei n s t e i n e o n d e n s a t e s Na t u r e 2 0 01 41 2： 2 9 5 2 9 9 1 8 j T L a h a y e ，J Me t z ，B F r o h l i c h ，T Ko c h ，MMe i s t e r ，A Gr i e s ma i e r ， T P f a u， HS a i t o ， YKa w a gn c h i ， a n d MUe d a d W a v e c o l l a p s e a n d e x p l o s i o n o f a d i p o l ar Bo s e Ei n s t e i n c o n d e n s a t e P h y s Re v L e t t ，2 0 0 8 1 01 ( 8) ： O 8 O 4 ( 】 1 9 WG U n r u h E x p e r i me n t al b l a c k h o l e e v a p o r a t i o n P h y s Re v L e t t 1 9 8 l _ 4 6 ( 2 1 ) ： 1 3 5 1 - 1 3 5 3 1 0I C a ms o t t o ，S F a g n o c e h i ，AR e c a t i ，R B a l b i n o t ，m a d A Fa b b r i Nu me r i c a l o b s e r v a t i o n o f Ha wk i n g r a d i a t i o n f l“ j m a c o u s t i c b l a c k h o l e s i n a t o mi c B o s e Ei ns t e i n c o nd e n s a t e s Ne w J o u r na l o f Ph y s i c s 2 o 0 8 1 0 1 0 3 o o1 1 1 C h e n g C h i n，a n d V VF l a mb a u mE n h a n c e d S e n s i t i v i t y t o Fu n d a me n t a l Co n s t a n t s i n Uhr a c o l d At o mi c a n d Mo l e e u l a r S y s t e ms n e a r F e s h b a c h Re s o n a n c e s Ph y s Re v L c n ，2 0 0 69 6 ( 2 3 ) ，2 3 0 8 0 1 1 2c H 一 T Wa n g ，R B i n g h a m，a n d J T Me n d o n c a G r a v i t a t i o n a l L a mb S h m o f Bo s e-E i n s t e i n Co n d e n s a t e s d u e t o S p a c e t i me F l u c t u a t i o n s arX i v ： 1 0 0 2 2 9 6 2 v 1 【 gr q c ， 2 0 1 0 1 6 F e b Ex p l o r a t i o n o f Co l d At o m P h y s i c s i n S p a c e a n d I t s Ap p l i c a t i