美國國家航空航天局（NASA）的冷原子實驗室正在進行第二次重大升級，并將用于探索量子領域。8月1日，NASA冷原子實驗室的一項重大硬件升級搭乘諾斯羅普-格魯曼公司的天鵝座補給飛船升空，前往國際空間站（ISS）。
美國國家航空航天局（NASA）的冷原子實驗室以其量子研究能力而聞名，該實驗室進行了一次重大的硬件升級，以增強其實驗能力，從而有可能開創一個先進的量子空間任務時代。來源：美國國家航空航天局
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該實驗室約有一個小冰箱大小，有時被稱為已知宇宙中最酷的地方，因為它能夠將原子冷卻到幾乎絕對零度。它能讓地球上的幾十位科學家進行量子科學實驗，研究構成我們周圍世界的原子和粒子的基本行為。
量子科學領域為激光、晶體管（智能手機和計算機的關鍵部件）、GPS 衛星和醫療設備等日常技術的發展鋪平了道路。該領域未來的進步有望改善天基導航和通信。
冷原子實驗室任務團隊的一名成員正在量子觀測模塊上工作。該實驗室是一個量子科學設施，自2018年以來一直在國際空間站上運行。該模塊是實驗室科學能力的升級版。圖片來源：NASA/JPL-加州理工學院
冷原子實驗室安裝于2018年，是首個同類設施，任務團隊經歷了一段陡峭的學習曲線，因為他們要弄清楚如何在空間站的失重環境中遠程完成在地球上設計的實驗。新的硬件--團隊稱之為量子觀測器模塊--融合了冷原子實驗室運行五年來的一些經驗教訓。
美國宇航局噴氣推進實驗室冷原子實驗室項目科學家杰森-威廉姆斯（Jason Williams）說："我們在冷原子實驗室上進行的實驗有朝一日將使我們能夠以前所未有的精度測量重力，這是在太空中非常有價值的工具。"
評估行星或月球密度分布的方法之一是測量整個表面的重力變化，因此科學家可以從軌道上探測不同世界的組成，或跟蹤地球上水的運動。測量重力還能讓科學家測量航天器的加速度，從而用于精確的太空導航。
冷原子實驗室是在國際空間站上運行的量子科學設施，其大小與一個小冰箱差不多。該實驗室由南加州的 JPL 遠程操作，已經進行了數十次原子和粒子量子性質的實驗。圖片來源：NASA/JPL-Caltech
此外，量子傳感器還可用于研究暗物質和暗能量等宇宙學奧秘的天基任務。暗物質是一種看不見的物質，它將宇宙中的物質聚集在一起，而暗能量則是一種更加神秘的現象，它導致宇宙加速膨脹。雖然冷原子實驗室不需要宇航員協助其日常運作，但今年秋天將有一名宇航員安裝量子觀測模塊。宇航員曾為實驗室以前的升級和維修提供過支持。
8月1日，諾斯羅普-格魯曼公司的天鵝座號補給飛船從美國宇航局位于弗吉尼亞州的瓦勒普斯飛行設施升空，飛船上載有8200多磅科學調查和國際空間站貨物，包括冷原子實驗室的硬件升級。 信用：NASA/JPL-Caltech
原子和粒子是宇宙中所有已知物質的組成部分。然而，它們的行為并不總是像它們組成的大物體一樣。它們的量子特性意味著，它們可以在表現為固體物體和表現為波之間搖擺，因此它們有時似乎同時出現在兩個地方。它們還能瞬間穿過物理障礙，這種現象被稱為量子隧道。
冷原子實驗室使研究原子的量子行為變得更加容易。方法之一是將原子冷凍到比物質所能達到的最低溫度（絕對零度）高幾分之一度。這使得原子的運動速度更慢，從而更容易對它們進行研究。此外，在這種溫度下，一些原子可以共同形成玻色-愛因斯坦凝聚態，在這種物質狀態下，可以在宏觀尺度上觀察到它們的量子行為，而這種行為通常是微觀的。(請看下面的視頻）。
幾十年來，科學家們一直在地面上進行冷原子實驗，但在地球上，在真空室中研究的原子會因重力而迅速墜落地面。而在冷原子實驗室內，原子可以長時間失重漂浮，這樣科學家就有更多的時間來操縱它們，研究它們的行為和演化過程。研究人員還可以將超冷原子操縱成氣泡和其他在地球上無法形成的獨特形狀。這揭示了不同的幾何形狀如何影響量子材料的行為。
冷原子實驗室的升級將為設施內的每項實驗多生產兩到三倍的原子。威廉姆斯說："這就好比升級到分辨率更高的望遠鏡。"有了更多的原子，科學家們就可以在每次實驗中收集更多的數據，還可以擴大實驗的種類。"
科學家們將能更細致地觀察超冷原子的行為，包括它們在演變過程中的物理動態以及它們之間的相互作用。由于原子云在膨脹過程中會自然冷卻，更多的原子也意味著原子在完全分散之前可以達到更低的溫度。
JPL 的冷原子實驗室項目經理 Kamal Oudrhiri 說："我們希望冷原子實驗室將標志著一個在太空中經常使用量子工具的時代的開始。因為有了冷原子實驗室，我們已經證明這些精密的量子工具在太空中是可靠的，甚至是可以升級的。我們希望冷原子實驗室只是未來眾多量子太空任務中的第一個。"
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