在太空中冷却原子 NASA的先锋量子科学实验室日臻完善

美国国家航空航天局（NASA）的冷原子实验室以其量子研究能力而闻名，该实验室进行了一次重大的硬件升级，以增强其实验能力，从而有可能开创一个先进的量子空间任务时代。来源：美国国家航空航天局

该实验室约有一个小冰箱大小，有时被称为已知宇宙中最酷的地方，因为它能够将原子冷却到几乎绝对零度。它能让地球上的几十位科学家进行量子科学实验，研究构成我们周围世界的原子和粒子的基本行为。

量子科学领域为激光、晶体管（智能手机和计算机的关键部件）、GPS 卫星和医疗设备等日常技术的发展铺平了道路。该领域未来的进步有望改善天基导航和通信。

冷原子实验室任务团队的一名成员正在量子观测模块上工作。该实验室是一个量子科学设施，自2018年以来一直在国际空间站上运行。该模块是实验室科学能力的升级版。图片来源：NASA/JPL-加州理工学院

冷原子实验室安装于2018年，是首个同类设施，任务团队经历了一段陡峭的学习曲线，因为他们要弄清楚如何在空间站的失重环境中远程完成在地球上设计的实验。新的硬件--团队称之为量子观测器模块--融合了冷原子实验室运行五年来的一些经验教训。

美国宇航局喷气推进实验室冷原子实验室项目科学家杰森-威廉姆斯（Jason Williams）说："我们在冷原子实验室上进行的实验有朝一日将使我们能够以前所未有的精度测量重力，这是在太空中非常有价值的工具。"

评估行星或月球密度分布的方法之一是测量整个表面的重力变化，因此科学家可以从轨道上探测不同世界的组成，或跟踪地球上水的运动。测量重力还能让科学家测量航天器的加速度，从而用于精确的太空导航。

冷原子实验室是在国际空间站上运行的量子科学设施，其大小与一个小冰箱差不多。该实验室由南加州的 JPL 远程操作，已经进行了数十次原子和粒子量子性质的实验。图片来源：NASA/JPL-Caltech

此外，量子传感器还可用于研究暗物质和暗能量等宇宙学奥秘的天基任务。暗物质是一种看不见的物质，它将宇宙中的物质聚集在一起，而暗能量则是一种更加神秘的现象，它导致宇宙加速膨胀。虽然冷原子实验室不需要宇航员协助其日常运作，但今年秋天将有一名宇航员安装量子观测模块。宇航员曾为实验室以前的升级和维修提供过支持。

8月1日，诺斯罗普-格鲁曼公司的天鹅座号补给飞船从美国宇航局位于弗吉尼亚州的瓦勒普斯飞行设施升空，飞船上载有8200多磅科学调查和国际空间站货物，包括冷原子实验室的硬件升级。 信用：NASA/JPL-Caltech

原子和粒子是宇宙中所有已知物质的组成部分。然而，它们的行为并不总是像它们组成的大物体一样。它们的量子特性意味着，它们可以在表现为固体物体和表现为波之间摇摆，因此它们有时似乎同时出现在两个地方。它们还能瞬间穿过物理障碍，这种现象被称为量子隧道。

冷原子实验室使研究原子的量子行为变得更加容易。方法之一是将原子冷冻到比物质所能达到的最低温度（绝对零度）高几分之一度。这使得原子的运动速度更慢，从而更容易对它们进行研究。此外，在这种温度下，一些原子可以共同形成玻色-爱因斯坦凝聚态，在这种物质状态下，可以在宏观尺度上观察到它们的量子行为，而这种行为通常是微观的。(请看下面的视频）。

几十年来，科学家们一直在地面上进行冷原子实验，但在地球上，在真空室中研究的原子会因重力而迅速坠落地面。而在冷原子实验室内，原子可以长时间失重漂浮，这样科学家就有更多的时间来操纵它们，研究它们的行为和演化过程。研究人员还可以将超冷原子操纵成气泡和其他在地球上无法形成的独特形状。这揭示了不同的几何形状如何影响量子材料的行为。

冷原子实验室的升级将为设施内的每项实验多生产两到三倍的原子。威廉姆斯说："这就好比升级到分辨率更高的望远镜。"有了更多的原子，科学家们就可以在每次实验中收集更多的数据，还可以扩大实验的种类。"

科学家们将能更细致地观察超冷原子的行为，包括它们在演变过程中的物理动态以及它们之间的相互作用。由于原子云在膨胀过程中会自然冷却，更多的原子也意味着原子在完全分散之前可以达到更低的温度。

JPL 的冷原子实验室项目经理 Kamal Oudrhiri 说："我们希望冷原子实验室将标志着一个在太空中经常使用量子工具的时代的开始。因为有了冷原子实验室，我们已经证明这些精密的量子工具在太空中是可靠的，甚至是可以升级的。我们希望冷原子实验室只是未来众多量子太空任务中的第一个。"