美國宇航局（NASA）的冷原子實驗室（Cold Atom Lab）展示了它在國際空間站上的安裝位置，最近展示了一種名為原子干涉儀的工具的使用，該工具可以精確測量重力和其他力，并且在太空中有許多潛在的應用。圖片NASA/JPL-Caltech

美國宇航局的冷原子實驗室（Cold Atom Lab）是國際空間站上的第一個此類設施，它朝著徹底改變量子科學在太空中的使用方式又邁出了一步。科學團隊的成員用實驗室的機載工具之一測量了空間站的細微振動，這是首次使用超冷原子來檢測太空中周圍環境的變化。

該研究于8月13日發表在《自然通訊》（Nature Communications）雜志上，還報告了原子在太空中自由落體的波狀性質的最長的演示。

冷原子實驗室的科學團隊使用一種稱為原子干涉儀的量子工具進行了測量，該工具可以精確測量重力、磁場和其他力。地球上的科學家和工程師使用這個工具來研究重力的基本性質，并推進有助于飛機和船舶導航的技術。（手機、晶體管和GPS只是其他一些基于量子科學的主要技術，但不涉及原子干涉測量。

物理學家一直渴望在太空中應用原子干涉測量法，因為那里的微重力允許更長的測量時間和更高的儀器靈敏度，但這種極其敏感的設備被認為太脆弱，如果沒有實際幫助，無法長時間運行。從地球遠程操作的冷原子實驗室現在已經證明這是可能的。

“達到這一里程碑是非常具有挑戰性的，我們的成功并不總是必然的，”美國宇航局南加州噴氣推進實驗室的冷原子實驗室項目科學家杰森威廉姆斯說。“團隊需要奉獻精神和冒險精神才能實現這一目標。”

精度的力量

能夠高精度測量重力的天基傳感器具有廣泛的潛在應用。例如，它們可以揭示我們太陽系中行星和衛星的組成，因為不同的材料具有不同的密度，從而產生細微的重力變化。

美國和德國的合作GRACE-FO（重力恢復和氣候實驗后續）已經在進行這種類型的測量，它檢測重力的微小變化，以追蹤地球上水和冰的運動。原子干涉儀可以提供額外的精度和穩定性，揭示有關表面質量變化的更多細節。

對引力的精確測量還可以提供對暗物質和暗能量本質的見解，這是兩大宇宙學奧秘。暗物質是一種看不見的物質，在宇宙中比構成行星、恒星和我們能看到的其他一切的“常規”物質常見五倍。暗能量是宇宙加速膨脹的未知驅動力的名稱。

“原子干涉測量法也可以用來以新的方式測試愛因斯坦的廣義相對論，”弗吉尼亞大學教授Cass Sackett說，他是Cold Atom實驗室的首席研究員，也是這項新研究的合著者。“這是解釋我們宇宙大尺度結構的基本理論，我們知道該理論的某些方面我們沒有正確理解。這項技術可以幫助我們填補這些空白，并讓我們更全面地了解我們所居住的現實。

在國際空間站上安裝的原子干涉儀。圖片Nature Communications（2024）。DOI：

10.1038/s41467-024-50585-6

便攜式實驗室

冷原子實驗室（Cold Atom Lab）于2018年發射到空間站，其目標是通過在低地球軌道的微重力環境中放置一個長期設施來推進量子科學。實驗室將原子冷卻到幾乎絕對零度，即零下 459 華氏度（零下 273 攝氏度）。

在這個溫度下，一些原子可以形成玻色-愛因斯坦凝聚態，這是一種物質狀態，在這種狀態下，所有原子基本上都具有相同的量子同一性。結果，一些原子通常微觀的量子特性變得宏觀，使它們更容易研究。

量子特性包括有時表現得像固體粒子，有時表現得像波。科學家們不知道這些所有物質的組成部分如何在如此不同的物理行為之間轉換，但他們正在使用量子技術，就像冷原子實驗室（Cold Atom Lab）上可用的技術一樣，來尋求答案。

在微重力下，玻色-愛因斯坦凝聚物可以達到更冷的溫度并存在更長時間，這給了科學家更多研究它們的機會。原子干涉儀是該設施中的幾種工具之一，通過利用原子的量子性質實現精確測量。

由于其波狀行為，單個原子可以同時行進兩條物理上獨立的路徑。如果重力或其他力作用在這些波上，科學家可以通過觀察波如何重組和相互作用來測量這種影響。

“我預計，天基原子干涉測量將帶來令人興奮的新發現和影響日常生活的奇妙量子技術，并將把我們帶入量子未來，”紐約羅切斯特大學教授、冷原子實驗室首席研究員尼克·畢格羅說。

更多信息：Jason R. Williams 等人，探路者在國際空間站上的冷原子實驗室用原子干涉測量進行實驗，《自然通訊》（2024 年）。DOI： 10.1038/s41467-024-50585-6

期刊信息： Nature Communications