美国国家航空航天局太空量子科学实验室不断进步

冷原子实验室任务小组的一名成员在量子观测舱工作。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运行。该模块是对实验室科学能力的升级。

该机构的冷原子实验室正在进行第二次重大升级，并将利用它探索量子领域。

8月1日，星期二，美国国家航空航天局冷原子实验室的一项重大硬件更新搭载诺斯罗普•格鲁曼天鹅座补给飞船升空，前往国际空间站。实验室大约有一个小冰箱大小，有时被称为已知宇宙中最凉爽的地方，因为它能够将原子冷却到几乎绝对零度。它使地球上的几十名科学家能够进行量子科学实验，研究构成我们周围世界的原子和粒子的基本行为。

量子科学领域推动了激光、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。该领域的未来进展有望改善天基导航和通信。

冷原子实验室安装于2018年，是第一个此类设施，任务团队在研究如何在空间站的失重环境中远程进行地球上设计的实验时，经历了一段陡峭的学习曲线。该团队称之为量子观测模块的新硬件融合了冷原子实验室五年运行中吸取的一些经验教训。

美国国家航空航天局喷气推进实验室的冷原子实验室项目科学家Jason Williams说：“我们在冷原子实验室进行的实验有一天将使我们能够以前所未有的精度测量重力，这是太空中非常有价值的工具。”。

冷原子实验室是一个在国际空间站运行的量子科学设施，大约有一个小冰箱那么大。它由南加州的喷气推进实验室远程操作，已经主持了数十次关于原子和粒子量子性质的实验。

评估行星或月球密度分布的一种方法是测量整个表面的重力变化，这样科学家就可以从轨道上探测不同世界的组成，或者跟踪地球上水的运动。测量重力还可以让科学家测量航天器的加速度，这可以用于精确的太空导航。

此外，量子传感器可以用于研究暗物质和暗能量等宇宙学奥秘的天基任务。暗物质是一种无形的物质，它将宇宙中的物质拉在一起，而暗能量是一种更神秘的现象，它会导致宇宙加速膨胀。

尽管冷原子实验室不需要宇航员协助其日常操作，但一名机组人员将在今年秋天安装量子观测舱。宇航员支持实验室之前的升级和维修。

8月1日，诺斯罗普•格鲁曼公司的一艘天鹅座补给飞船从美国国家航空航天局位于弗吉尼亚州的沃洛普斯飞行设施起飞，该飞船为国际空间站运送了8200多磅的科学调查和货物，包括冷原子实验室的硬件升级。

问题的核心

原子和粒子是宇宙中所有已知物质的组成部分，但它们的行为并不总是像它们组成的更大的物体。它们的量子性质意味着它们可以在表现得像固体物体和表现得像波浪之间振荡，所以它们有时看起来同时在两个地方。它们还可以瞬间穿过物理屏障，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。一种方法是将原子冷却到比物质所能达到的最低温度（绝对零度）高一度的小部分。这会导致原子移动得更慢，从而使它们更容易研究。此外，在这个温度下，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，这些行为通常是微观的。

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。在冷原子实验室内，原子失重漂浮的时间更长，这给了科学家更多的时间来操纵它们，研究它们的行为和进化。研究人员还可以将超冷原子操纵成气泡和其他在地球上不可能形成的独特形状。这揭示了不同的几何形状如何影响量子材料的行为。

量子飞跃

冷原子实验室的升级将使该设施内的每个实验产生两到三倍多的原子。威廉姆斯说：“这类似于升级到分辨率更高的望远镜。”。“有了更多的原子，科学家可以在每次实验中收集更多的数据，他们还可以扩大他们可以做的实验的种类。”

科学家们将对超冷原子的行为有更细致的了解，包括它们进化过程中的物理动力学以及它们之间的相互作用。由于原子云在膨胀时会自然冷却，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冷原子实验室的项目经理Kamal Oudhiri说：“我们希望冷原子实验室将标志着一个量子工具在太空中经常使用的时代的开始。”。“因为冷原子实验室，我们已经证明这些精致的量子工具是可靠的，甚至可以在太空中升级。我们希望冷原子实验室将是即将到来的许多量子太空任务中的第一个。”

更多关于使命

冷原子实验室由喷气推进实验室设计和建造，由美国国家航空航天局科学任务局生物与物理科学部赞助。BPS先驱 科学发现，并通过 利用太空环境进行 调查 这在地球上是不可能的。 在极端条件下研究生物和物理现象使研究人员能够 进展 这个 基础科学知识 需要在太空中走得更远、停留时间更长，同时也有益于地球上的生命。