国际空间站上的冷原子实验室将量子技术用于先进的空间科学

美国国家航空航天局的冷原子实验室利用量子技术加强空间科学，探索引力变化、暗物质和暗能量，并在微重力环境中测试广义相对论。资料来源：美国国家航空航天局

未来的太空任务可以利用量子技术追踪地球上的水，探索卫星和其他行星的构成，或者探测神秘的宇宙现象。

美国国家航空航天局（NASA）的冷原子实验室是国际空间站（ISS）上的一个首创设施，它朝着彻底改变量子科学在太空中的应用方式又迈进了一步。科学小组的成员利用实验室的一种机载工具测量了空间站的微妙振动--这是首次利用超冷原子来探测太空中周围环境的变化。

这项研究发表在 8 月 13 日的《自然-通讯》（Nature Communications）上，同时也是原子在太空中自由落体的波状性质的最长演示报告。

冷原子实验室科学小组利用一种名为原子干涉仪的量子工具进行了测量，这种工具可以精确测量重力、磁场和其他力。地球上的科学家和工程师利用这种工具来研究重力的基本性质，并推动飞机和船舶导航技术的发展。(手机、晶体管和全球定位系统只是基于量子科学但不涉及原子干涉仪的其他几项主要技术）。

美国国家航空航天局（NASA）国际空间站上的冷原子实验室经常是宇宙中已知最冷的地方。但是，科学家们为什么要制造出比绝对零度高几分之一的原子云呢？他们又为什么要在太空中这样做呢？当然是量子物理学。以下是 CAL 如何帮助科学家们更多地了解微型化技术等背后的物理学，以及构成我们所见万物的粒子的基本性质。资料来源：美国国家航空航天局喷气推进实验室

物理学家们一直渴望在太空中应用原子干涉测量法，因为太空中的微重力允许更长的测量时间和更高的仪器灵敏度，但这种灵敏度极高的设备一直被认为过于脆弱，在没有人工协助的情况下无法长时间运行。从地球上遥控操作的冷原子实验室现在已经证明了这一点。

美国国家航空航天局南加州喷气推进实验室冷原子实验室项目科学家杰森-威廉姆斯说："达到这一里程碑具有极大的挑战性，我们的成功并不总是必然的。这需要团队的奉献精神和冒险精神才能实现"。

美国国家航空航天局（NASA）的冷原子实验室（如图所示，该实验室安装在国际空间站上）最近展示了一种名为原子干涉仪的工具的使用，这种工具可以精确测量重力和其他力--在太空中有许多潜在的应用。图片来源：NASA/JPL-Caltech

能够高精度测量重力的天基传感器具有广泛的潜在应用。例如，它们可以揭示太阳系中行星和卫星的组成，因为不同的材料具有不同的密度，从而产生微妙的重力变化。

美国和德国合作的GRACE-FO（重力恢复和气候实验后续项目）已经在进行这种测量，该项目通过探测重力的微小变化来跟踪地球上水和冰的运动。原子干涉仪可以提供更高的精度和稳定性，揭示地表质量变化的更多细节。

对万有引力的精确测量还能让我们深入了解暗物质和暗能量这两大宇宙学之谜的本质。暗物质是一种看不见的物质，在宇宙中比构成行星、恒星和我们所能看到的一切的"常规"物质要常见五倍。暗能量是宇宙加速膨胀的未知驱动力。

弗吉尼亚大学教授卡斯-萨基特（Cass Sackett）是冷原子实验室的主要研究员，也是这项新研究的共同作者。他介绍说："这是解释宇宙大尺度结构的基本理论，我们知道该理论的某些方面我们还没有正确理解。这项技术可能会帮助我们填补这些空白，让我们更全面地了解我们所居住的现实世界。"

美国国家航空航天局（NASA）的冷原子实验室（Cold Atom Lab）在国际空间站（International Space Station）这个世外桃源里研究原子的量子本质，原子是我们宇宙的组成部分。这则动画解说探讨了什么是量子科学，以及为什么 NASA 要在太空中进行这项研究。来源：NASA/JPL-加州理工学院

冷原子实验室大约有一个迷你冰箱大小，于2018年发射到空间站，目标是通过在低地球轨道的微重力环境中放置一个长期设施来推动量子科学的发展。实验室将原子冷却到几乎绝对零度，即零下 459华氏度（零下 273摄氏度）。在这个温度下，一些原子可以形成玻色-爱因斯坦凝聚态，这是一种所有原子基本上具有相同量子特性的物质状态。因此，原子的一些典型的微观量子特性变得宏观，使它们更容易研究。

量子特性包括有时像固体粒子，有时像波。科学家们不知道这些构成所有物质的基石是如何在如此不同的物理行为之间转换的，但他们正在利用量子技术（如冷原子实验室提供的技术）寻找答案。

在微重力状态下，玻色-爱因斯坦凝聚体可以达到更低的温度，存在的时间也更长，这给科学家们提供了更多研究它们的机会。原子干涉仪是该设施中的几种工具之一，可利用原子的量子特性进行精确测量。

由于其波状行为，一个原子可以同时走过两条物理上独立的路径。如果重力或其他力量作用在这些波上，科学家就可以通过观察这些波如何重新组合和相互作用来测量这种影响。

纽约罗切斯特大学（University of Rochester）教授、冷原子实验室（Cold Atom Lab）首席研究员尼克-比奇洛（Nick Bigelow）说："我预计，天基原子干涉测量法将带来令人兴奋的新发现和影响日常生活的奇妙量子技术，并将把我们带入量子未来。"

编译自/scitechdaily