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(yīng)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(shè)施，它朝著徹底改變量子科學(xué)在太空中的使用方式又邁出了一步。科學(xué)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(huán)境的變化。

該研究于8月13日發(fā)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(zhì)的最長的演示。

冷原子實驗室的科學(xué)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(xué)家和工程師使用這個工具來研究重力的基本性質(zhì)，并推進有助于飛機和船舶導(dǎo)航的技術(shù)。（手機、晶體管和GPS只是其他一些基于量子科學(xué)的主要技術(shù)，但不涉及原子干涉測量。

物理學(xué)家一直渴望在太空中應(yīng)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(shè)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(xiàn)在已經(jīng)證明這是可能的。

“達到這一里程碑是非常具有挑戰(zhàn)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(xué)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(xiàn)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(yīng)用。例如，它們可以揭示我們太陽系中行星和衛(wèi)星的組成，因為不同的材料具有不同的密度，從而產(chǎn)生細微的重力變化。

美國和德國的合作GRACE-FO（重力恢復(fù)和氣候?qū)嶒灪罄m(xù)）已經(jīng)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(wěn)定性，揭示有關(guān)表面質(zhì)量變化的更多細節(jié)。

對引力的精確測量還可以提供對暗物質(zhì)和暗能量本質(zhì)的見解，這是兩大宇宙學(xué)奧秘。暗物質(zhì)是一種看不見的物質(zhì)，在宇宙中比構(gòu)成行星、恒星和我們能看到的其他一切的“常規(guī)”物質(zhì)常見五倍。暗能量是宇宙加速膨脹的未知驅(qū)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(xué)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(jié)構(gòu)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(shù)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(xiàn)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(fā)射到空間站，其目標是通過在低地球軌道的微重力環(huán)境中放置一個長期設(shè)施來推進量子科學(xué)。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(tài)，這是一種物質(zhì)狀態(tài)，在這種狀態(tài)下，所有原子基本上都具有相同的量子同一性。結(jié)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(xiàn)得像固體粒子，有時表現(xiàn)得像波。科學(xué)家們不知道這些所有物質(zhì)的組成部分如何在如此不同的物理行為之間轉(zhuǎn)換，但他們正在使用量子技術(shù)，就像冷原子實驗室（Cold Atom Lab）上可用的技術(shù)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(xué)家更多研究它們的機會。原子干涉儀是該設(shè)施中的幾種工具之一，通過利用原子的量子性質(zhì)實現(xiàn)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(xué)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(yù)計，天基原子干涉測量將帶來令人興奮的新發(fā)現(xiàn)和影響日常生活的奇妙量子技術(shù)，并將把我們帶入量子未來，”紐約羅切斯特大學(xué)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