NASA冷原子实验室升级 重返国际空间站开展更深层量子研究

冷原子实验室由美国喷气推进实验室（JPL）研制，外形与一台小型冰箱相近，安装在空间站舱内，由地面团队远程操控。在空间站的微重力条件下，实验室可以在更低温度、更长演化时间下制造和观测超冷原子气体，使原子物质呈现出明显的波动性、可在多个位置“共存”，甚至在特定条件下相互“穿透”等量子行为。在温度低于零下459华氏度（约零下237摄氏度）附近、接近绝对零度时，原子云形成BEC，成为继固态、液态、气态和等离子体之后的“第五态”，其整体依然遵循量子力学的奇特规律。

每一次实验都从金属铷或钾开始：科研人员先将一条金属条加热至约750华氏度（约400摄氏度），在真空腔体内形成原子蒸气。随后，调谐到特定频率的激光束射入蒸气，通过“激光冷却”不断抽取原子的动能，使其速度和温度迅速下降。在完成激光冷却后，磁场陷阱接管，将原子进一步约束并继续降温，最终形成几乎静止的超冷原子云。在微重力环境中，这类“物质波”可以膨胀得更大、漂浮时间更长，科研人员也能获得更充裕的观测窗口，用于精确测量时间、重力和运动等物理量。

喷气推进实验室项目科学家杰森·威廉姆斯指出，在最低温度下，物质的行为与我们日常经验截然不同，波动性占据主导地位，超冷物质能够以意想不到的方式演化，同时提供极其精密的测量条件。升级后的冷原子实验室配备了更丰富的操控工具，使研究团队得以更深入探索宇宙的基本规律。目前，该设施正支持来自多国的五个研究团队开展基础物理研究，也被视为未来空间量子技术的试验平台，面向地球科学任务和深空探索应用。

最新的升级模块于今年4月11日通过商业补给飞行被送入空间站，核心是经过重新设计的科学模块以及关键部件的更新。其中，新的磁陷阱结构可以在更大范围内改变量子气体云的形状，帮助科学家研究原子在不同几何约束下的性质变化。与此同时，经过改良的金属条为制备原子蒸气提供了更稳定、更优质的原子源。项目经理卡迈勒·乌德里里表示，这些改进进一步推动了人类对“量子世界边界”的控制能力，将可达到的极低温度和可操控的量子态范围再次延伸。

冷原子实验室也是人类首次在地球轨道上常态化制备玻色–爱因斯坦凝聚态的平台，被视为“量子技术在空间可靠运行”的重要验证。副项目科学家伊桑·埃利奥特指出，上世纪的“量子革命”带来了激光、手机、磁共振成像等技术，如今团队在空间站开展的是“量子2.0”阶段——直接操控大尺度量子态，希望由此孕育出新一代量子传感、量子测量等关键技术。

为了在空间站实现这些复杂实验，NASA将原本需要占满实验室一整间房的激光器、反射镜和控制设备浓缩在一套机架内，并确保其在长期在轨环境下稳定运行。喷气推进实验室负责该设施的设计、建造和运营管理，加州理工学院则承担整体项目管理。冷原子实验室隶属于NASA科学任务理事会生物与物理科学部门，该部门利用空间的独特条件开展在地面无法完成的科学研究，既为未来深空载人探索提供生命支持和工程基础，也在过程中催生可惠及地球生活的新发现与新技术。

乌德里里强调，这次升级不仅展示了NASA在空间量子技术领域维持美国领先地位的能力，也为未来一系列量子仪器的成熟铺平道路，例如用于基础物理、导航定位、时间基准以及对地球、月球及更遥远天体进行重力感测的物质波干涉仪等。随着升级后的冷原子实验室重新投入运行，国际空间站上的这间“轨道量子实验室”正推动人类在量子科学未知领域继续深入探索。