在深邃太空探求“有趣的科学”

宇宙诞生后出现了第一批和第一颗恒星，它们的“闪亮登场”也许比科学家原先预计的时间更早，最近的天文观测成果显示，第一颗恒星出现在宇宙大爆炸或宇宙诞生之后的2.5亿年。在宇宙的极早期阶段，复杂的氧原子结构还没有形成，而第一代恒星出现在氧原子的结构形成之前，宇宙中的氧元素是通过恒星内部核聚变的机制产生的，当早期的恒星进入了死亡周期，氧原子以恒星爆发方式释放到周围的太空。天文学家使用了位于智利的ALMA射电望远镜，在一个早期星系中找到了电离态的氧原子，可以将星系MACS1149-JD1出现的时间追溯到宇宙大爆炸之后的5亿年，这一观测结果证实了第一代恒星比之前认定的时间更早。

伦敦大学学院的天文团队找到了恒星更早出现的证据，为了寻找在宇宙大爆炸之后最早恒星出现的线索，天文团队使用了哈勃太空望远镜收集的星系MACS1149-JD1的红外线观测数据，使用了斯皮策太空望远镜测量星系亮度的数据，经过了模拟和计算，他们得出的结论是宇宙在诞生后的2.5亿年出现了第一批恒星。长期以来，科学家对最早恒星出现的时间感到困惑，在什么时间产生了宇宙的“第一缕曙光”或宇宙的“第一次黎明”？当第一颗、第一代星系发出辉映太空的闪耀时，浩瀚宇宙不再笼罩在极度漆黑的“夜幕”之中，天文团队在观测数据的基础上确定了第一代恒星形成的时间。

在伦敦大学学院的天文团队进行“大物理”观测的同时，美国航天航空局的科学家展开了“小物理”实验，他们在太空创造了一个最冷实验室，实施了一项量子物理学的实验。科学家将冷原子实验室发送到国际空间站，避免了在地面实验室观测量子行为时遇到的困难，通过移动特别形态的量子云团或“波色·爱因斯坦凝聚体”，应用激光技术将温度降低到了接近绝对零度，科学家放大了原子的量子力学效应。但波色·爱因斯坦凝聚态通常只能保持几分之一秒的时间，而地球引力不可避免地干扰了量子态的形成。

美国航天航空局的科学家设想了奇特的解决方案，在太空寻找最冷的实验地点。一个冷原子实验室或一个实验盒被安放到了国际空间站，实验项目的初衷在于充分利用太空微重力和太空极低温度的条件，理想状态的冷原子凝聚态能够保持更长的时间。通过激光和电磁场技术降低了原子的运动，这些被冷冻的原子几乎处于静止状态，在波色·爱因斯坦凝聚态形成之后，物态的量子力学特性占据了主导地位，而经典物理学的规律失去了作用，原子行为表现出了波动性，原子的粒子性退居其次。

在国际空间站的微重力舱体中，用于实验的原子表现了量子的波动性，持续保持的时间大约为5到10秒，这是很短间隔的时间窗口，但已足够引起科学家研究的兴趣。通过对实验数据的分析，他们对量子行为有了更深的感受和理解，这些研究成果有助于研制未来的量子计算机。在太空实验室进行的实验还能帮助科学家发现其它的科学线索，其中包括寻找“无孔不入”的宇宙暗能量，它们在太空中广泛分布，在太空环境进行的量子实验将会带来意想不到的成果。

（编译：2018-5-22）