Китайская космическая станция охладила атомы до 9,7 пикокельвина, это рекорд холода

Облако атомов рубидия на борту китайской орбитальной станции «Тяньгун» было охлаждено до температуры менее чем на десять триллионных градуса выше абсолютного нуля — это самая низкая температура, когда-либо зарегистрированная для газового облака атомов. Примерно в четыре раза холоднее лучшего результата, достигнутого ранее где бы то ни было — на Земле или на орбите.

Рекорд важен не столько самой цифрой, сколько тем, что он даёт. При таком холоде атомы расходятся настолько медленно, что команда могла наблюдать за облаком в течение семи секунд после того, как отпустила его, — временного окна, достаточного для проверки гравитации, квантового поведения и, возможно, тёмной материи с точностью, недоступной ни одной наземной лаборатории.

Атомы образовали конденсат Бозе — Эйнштейна — состояние вещества, в котором тысячи атомов теряют свою индивидуальность и ведут себя как единая квантовая волна. Исследователи из Пекинского университета, Шанхайского института оптики и точной механики и Центра технологий и инженерии по использованию космического пространства Академии наук Китая провели эксперимент в стойке для физики холодных атомов лабораторного модуля «Мэнтянь» и сообщили о нём в журнале Science.

Облако содержало 20 000 атомов рубидия-87. Его эквивалентная температура составила 9,7 пикокельвина с погрешностью от 7,0 до 12,9 пикокельвина. Предыдущий самый низкий показатель для такой системы составлял 38 пикокельвинов, а лаборатория холодных атомов NASA на Международной космической станции достигала 52.

Как десятитонную лабораторию уместили в станционную стойку

Охлаждение атомов означает замедление их движения. Команда удерживала рубидий с помощью перекрещённых лазерных лучей — такая конфигурация называется оптической дипольной ловушкой, — а затем ступенчато снижала мощность лазера, чтобы наиболее энергичные атомы могли покинуть ловушку. Это испарительное охлаждение — тот же принцип, который остужает чашку кофе, когда самые горячие молекулы уходят в виде пара.

В условиях микрогравитации этот трюк работает хуже, потому что атомы больше не оседают на дно ловушки, где находится путь для выхода. Исследователи добавили слабый магнитный градиент, чтобы направлять испарение и получить конденсат. Финальный этап — резкое неадиабатическое расширение ловушки — затем ещё сильнее замедлил атомы.

Все предыдущие рекорды такого рода были получены с помощью магнитных ловушек на атомных чипах. Лазеры сложнее эксплуатировать на орбите, но они менее чувствительны к магнитным помехам, оставляют больше места для оптического доступа и могут удерживать атомы, которые вообще не реагируют на магнитные поля. «Инженерная задача заключалась в том, чтобы сконцентрировать множество передовых технологий в жёстких рамках аэрокосмических требований», — сказал Ли Тан, исследователь из Шанхайского института, по сообщению агентства «Синьхуа».

Наземная версия эксперимента занимает около 20 кубических метров и весит примерно 10 тонн. Полётная стойка занимает 0,7 кубического метра и весит полтонны; её сверхвысоковакуумная система, мощные волоконные лазеры и стабилизированные по частоте оптические элементы работают автоматически в условиях жёстких ограничений по энергопотреблению.

В сотни миллиардов раз холоднее открытого космоса

Абсолютный ноль — минус 273,15 градуса Цельсия — это точка, где движение атомов должно полностью прекратиться. Пустое космическое пространство не настолько холодно: слабое послесвечение Большого взрыва поддерживает в нём температуру около 2,7 градуса выше абсолютного нуля. В пересчёте на шкалу Кельвина облако на «Тяньгуне» было примерно в 280 миллиардов раз холоднее.

Предыдущий лучший результат — 38 пикокельвинов — был получен немецкой командой, которая сбрасывала эксперимент на атомном чипе с бременской башни сброса, чтобы получить несколько секунд невесомости. Высота башен сброса ограничена. Орбитальная станция находится в состоянии постоянного свободного падения, поэтому эксперимент может продолжаться столько, сколько атомы сохраняют когерентность.

Время наблюдения — вот где разрыв становится наибольшим. Наземные эксперименты могут отслеживать выпущенное облако около 0,05 секунды, прежде чем оно выпадет из поля зрения; Международная космическая станция даёт примерно одну секунду, а китайская станция теперь достигает семи, по данным команды. «На Земле оно упало бы примерно на 250 метров, то есть фактически разбилось бы о землю, если только у вас нет вакуумной камеры высотой 250 метров», — сказал Вольфганг Кеттерле, физик из Массачусетского технологического института, разделивший Нобелевскую премию за создание конденсатов Бозе — Эйнштейна, в интервью китайскому телеканалу CGTN.

Что означает и что не означает эквивалентная температура

9,7 пикокельвина — это не показания термометра. Исследователи выводят эту величину из того, насколько медленно облако расширяется после отпускания, переводя скорость расширения в температуру, которую должен был бы иметь газ, чтобы двигаться так медленно. Цифра описывает только атомы: исследователи отмечают, что оборудование и его окружение никогда не приближались к такой температуре.

Погрешность велика — примерно 30 процентов в обе стороны, а результат получен на одной установке и ещё не был независимо воспроизведён. Сравнения с более старыми рекордами также смешивают методы: башни сброса, магнитные чипы и теперь лазерные ловушки достигают своих чисел с помощью разных способов удержания и финального охлаждения, так что разрыв служит ориентиром, а не точным рейтингом.

Облако также мало. Двадцати тысяч атомов достаточно для чистого конденсата, но точность приборов растёт с увеличением образца. Открытым инженерным вопросом остаётся, сможет ли система стабильно давать и больше атомов, и длительную когерентность.

Почему семь секунд важнее рекорда

Атомный интерферометр расщепляет квантовую волну каждого атома на два пути и затем сводит их вместе, превращая крошечные различия в ускорении в измеримый сигнал. Его чувствительность растёт пропорционально квадрату времени, которое атомы проводят внутри него. «Атомные интерферометры чрезвычайно выигрывают от источников, обеспечивающих большое количество атомов в сверххолодном ансамбле и длительное время наблюдения», — сказал Эрнст Разель, физик из Ганноверского университета имени Лейбница, в комментариях, переданных CGTN.

Такие приборы могли бы картографировать гравитационное поле Земли с орбиты и проверять, действительно ли объекты разного состава падают с одинаковой скоростью — краеугольный камень теории относительности Эйнштейна. Лазерные ловушки также можно формировать в оптические решётки — световые решётки, удерживающие атомы подобно кристаллу и позволяющие физикам моделировать материалы, которые трудно изучать напрямую. «Чем дольше мы можем наблюдать, тем больше вероятность обнаружить новые и более слабые физические явления», — сказал Сюн Вэй из Пекинского университета, соавтор статьи, по сообщению «Синьхуа».

Часто задаваемые вопросы о самой низкой температуре, когда-либо зарегистрированной

Какая самая низкая температура была когда-либо зарегистрирована?

Для газового облака атомов самая низкая эквивалентная температура, о которой сообщалось на сегодняшний день, составляет 9,7 пикокельвина — она достигнута на борту китайской орбитальной станции «Тяньгун». Это 9,7 триллионных градуса выше абсолютного нуля. Предыдущий рекорд составлял 38 пикокельвинов.

Что такое конденсат Бозе — Эйнштейна?

Это состояние вещества, которое образуется, когда газ определённых атомов охлаждается почти до абсолютного нуля. Атомы переходят в одно и то же квантовое состояние и действуют как одна волна, что делает квантовые эффекты видимыми в масштабе, достаточном для фотографирования.

Почему эксперименты с холодными атомами лучше работают в космосе?

На Земле гравитация вытягивает атомы из слабых ловушек и заставляет выпущенное облако падать за долю секунды. На орбите атомы парят, поэтому ловушку можно сделать более мягкой, что охлаждает их сильнее, а за облаком можно наблюдать в течение нескольких секунд.

Может ли что-нибудь достичь абсолютного нуля?

Нет. Законы термодинамики запрещают достижение точно нуля кельвинов, поэтому эксперименты могут лишь приближаться к нему. Каждый следующий шаг даётся всё труднее, поэтому переход от 38 к менее чем 10 пикокельвинам считается большим скачком.

Орбитальная лаборатория, открытая для внешних команд

Стойка для холодных атомов отправилась на орбиту вместе с модулем «Мэнтянь» в 2022 году, после проекта, первые исследования осуществимости которого начались в 2011 году, а рекорд был опубликован онлайн в журнале Science 5 ноября 2026 года. Разель видит следующий шаг в орбитальных интерферометрах, которые удерживают атомы в когерентно расщеплённом состоянии в течение нескольких секунд. Люй Цунминь, главный конструктор системы космического применения китайской пилотируемой космической программы, заявил, что стойка открыта для учёных со всего мира, желающих провести на ней собственные эксперименты.

Источник: Xiong et al., «Quantum gases below 10 picokelvin in space,» Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aea5324

Теги: физика, квантовая физика, абсолютный ноль, Китайская академия наук, конденсат Бозе-Эйнштейна, Мэнтянь