美国国家航空航天局(NASA)的冷原子实验室(Cold Atom Lab)是国际空间站(International Space Station)上的首个此类设施，它朝着彻底改变量子科学在太空中的应用又迈出了一步。科学小组的成员用实验室的机载工具之一测量了空间站的细微振动，这是首次使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》杂志上，它还报告了原子在太空中自由落体的波状性质的最长演示。

冷原子实验室的科学团队用一种叫做原子干涉仪的量子工具进行了测量，这种工具可以精确地测量重力、磁场和其他力。地球上的科学家和工程师使用这个工具来研究重力的基本性质，并推进有助于飞机和船舶导航的技术。(手机、晶体管和GPS只是基于量子科学的其他几项主要技术，但不涉及原子干涉测量法。)

物理学家一直渴望在太空中应用原子干涉测量法，因为那里的微重力允许更长的测量时间和更高的仪器灵敏度，但这种非常敏感的设备被认为太脆弱，无法在没有人工帮助的情况下长时间工作。从地球远程操作的冷原子实验室现在已经证明了这是可能的。

“达到这一里程碑具有难以置信的挑战性，我们的成功并不总是必然的，”美国宇航局南加州喷气推进实验室的冷原子实验室项目科学家杰森·威廉姆斯说。“这需要团队的奉献精神和冒险精神才能实现。”

精度的力量

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

这种类型的测量已经由美国-德国合作GRACE-FO(重力恢复和气候实验后续)进行，它检测重力的微小变化，以跟踪地球上水和冰的运动。原子干涉仪可以提供额外的精度和稳定性，揭示更多关于表面质量变化的细节。

对引力的精确测量也可以让我们深入了解暗物质和暗能量的本质，这是两个主要的宇宙学谜团。暗物质是一种看不见的物质，在宇宙中比构成行星、恒星和我们能看到的一切的“常规”物质要常见五倍。暗能量是指宇宙加速膨胀的未知驱动力。

“原子干涉测量也可以用新的方法来测试爱因斯坦的广义相对论，”弗吉尼亚大学教授卡斯·萨克特说，他是冷原子实验室的首席研究员和这项新研究的合著者。“这是解释我们宇宙大尺度结构的基本理论，我们知道，这个理论的某些方面我们还没有正确理解。这项技术可以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。”

便携式实验室

大约一个迷你冰箱大小的冷原子实验室于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进量子科学。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，这是一种物质状态，在这种状态下，所有原子本质上都具有相同的量子同一性。结果，原子的一些典型的微观量子特性变成了宏观的，使它们更容易研究。

量子特性包括有时表现得像固体粒子，有时表现得像波。科学家们不知道所有物质的这些组成部分是如何在不同的物理行为之间转换的，但他们正在使用量子技术，比如冷原子实验室(Cold Atom Lab)上可用的技术来寻找答案。

在微重力下，玻色-爱因斯坦凝聚体可以达到更低的温度，存在的时间更长，这给了科学家更多的机会来研究它们。原子干涉仪是该设施中利用原子的量子特性进行精确测量的几个工具之一。

由于它的波状行为，单个原子可以同时通过两条物理上分离的路径。如果重力或其他力量作用于这些波，科学家可以通过观察波如何重组和相互作用来测量这种影响。

纽约罗彻斯特大学教授、美国和德国科学家联盟冷原子实验室首席研究员尼克·毕格罗(Nick Bigelow)说:“我希望基于太空的原子干涉测量技术将带来令人兴奋的新发现和奇妙的量子技术，影响日常生活，并将我们带入量子未来。”毕格罗是这项研究的共同作者。

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