NASA在国际空间站的冷原子实验室开创太空量子化学先河

美国国家航空航天局的冷原子实验室。资料来源：美国国家航空航天局

量子工具已经应用于从手机、全球定位系统到医疗设备的方方面面。未来，它们可以用来加强对包括我们自己的星球在内的行星的研究，帮助解开宇宙之谜，同时加深我们对自然基本规律的理解。

这项由地球上的科学家远程完成的新工作在11月16日出版的《自然》（Nature）杂志上做了介绍。

这段动画描述了美国国家航空航天局冷原子实验室内使用的六台经过精密调谐的激光器，用于减慢原子速度，降低原子温度。科学家们现在可以利用该实验室来观察不同类型的原子在这种低温下是如何相互作用的。图片来源：NASA/JPL-加州理工学院

有了这项新功能，冷原子实验室现在不仅可以研究单个原子的量子特性，还可以研究量子化学，后者主要研究不同类型的原子在量子态下如何相互作用和相互结合。研究人员将能够利用冷原子实验室进行更广泛的实验，并更多地了解在微重力条件下进行实验的细微差别。这些知识对于利用这一独一无二的设施开发新的天基量子技术至关重要。

推进量子化学

我们周围的物理世界依赖于原子和分子按照既定规则结合在一起。但不同的规则会因原子和分子所处的环境（如微重力）而起主导或削弱作用。利用冷原子实验室的科学家们正在探索原子的量子特性主导其行为的情景。例如，原子和分子的行为不像固体台球，而更像波。

在其中一种情况下，双原子或三原子分子中的原子可以保持结合在一起，但距离却越来越远，几乎就像分子变得蓬松一样。要研究这些状态，科学家首先需要让原子减速。为此，他们需要将原子冷却到比物质所能达到的最低温度高几分之一的温度（见下面的视频），这个温度远远低于自然宇宙中的任何温度：绝对零度，即零下 459 华氏度（零下 273 摄氏度）。

美国国家航空航天局国际空间站上的冷原子实验室将原子冷却到绝对零度以上十亿分之一的温度，即原子完全停止运动的温度。宇宙中没有任何地方的原子能自然达到这个温度。但科学家是如何完成这一壮举的呢？这是一个分三步进行的过程，首先，科学家用精确调谐的激光击打原子，使其减速。

物理学家已经在地面上的冷原子实验中制造出了这种蓬松的分子，但它们极其脆弱，要么很快碎裂，要么又坍缩回正常的分子状态。因此，人们从未对有三个原子的放大分子进行过直接成像。在空间站的微重力环境中，脆弱的分子可以存在更长时间，并有可能变大，因此物理学家们很高兴能开始利用冷原子实验室的新能力进行实验。

物理学的新前沿

这些类型的分子在自然界中可能并不存在，但它们有可能被用来制造灵敏的探测器，例如可以揭示磁场强度的微妙变化，或任何其他导致它们破裂或坍缩的干扰。

美国宇航局南加州喷气推进实验室的杰森-威廉姆斯（Jason Williams）是冷原子实验室的项目科学家，也是这项新研究的合著者之一。他说："这就像我们发现了一把锤子，而我们才刚刚开始研究使用它的所有方法。"

NASA 的冷原子实验室让科学家们能够在自由的微重力环境中研究原子的量子本质。了解量子科学如何促进手机和计算机等日常技术的发展，以及冷原子实验室如何为新的突破铺平道路。图片来源：NASA/JPL-加州理工学院

使用含有两种原子的量子气体的一种可能方法是测试一种叫做等效原理的概念，该原理认为，无论物体的质量如何，重力对所有物体的影响都是相同的。许多物理老师都会演示这一原理，将一根羽毛和一个锤子放在密封的真空室中，并证明在没有空气摩擦的情况下，两者下落的速度相同。1971 年，阿波罗 15 号宇航员大卫-斯科特（David Scott）在月球表面做了这个实验，而不需要真空室。

科学家们利用一种名为原子干涉仪的仪器，已经在地球上进行了实验，看看等效原理在原子尺度上是否成立。在空间站的微重力环境中，利用含有两种原子的量子气体和干涉仪，他们可以比在地球上更精确地测试该原理。这样做，他们可能会了解到是否有一点重力不能平等对待所有物质，这表明阿尔伯特-爱因斯坦的广义相对论包含一个可能产生重大影响的小错误。

等效原理是广义相对论的一部分，是现代引力物理学的支柱，它描述了行星和星系等大型天体的行为方式。但现代物理学的一个主要谜团是，为什么引力定律似乎与量子物理学定律不一致，而量子物理学定律描述的是原子等小物体的行为。这两个领域的定律在各自的大小范围内被一再证明是正确的，但物理学家却无法将它们统一为对宇宙整体的单一描述。

寻找爱因斯坦理论无法解释的万有引力特征是寻找统一方法的途径之一。

开发先进传感器

科学家们已经有了在冷原子实验室的微重力环境下测试基础物理学的想法。他们还提出了利用双原子干涉仪和量子气体进行高精度重力测量的天基实验，以了解宇宙加速膨胀背后的神秘驱动力--暗能量的性质。他们所学到的知识可能有助于开发应用广泛的精密传感器。

这些传感器的质量将取决于科学家们对这些原子在微重力下的行为，包括这些原子之间如何相互作用的了解程度。引入磁场等工具来控制原子，可以使它们像油和水一样相互排斥，或者像蜂蜜一样粘在一起。了解这些相互作用是冷原子实验室的一个关键目标。