NASA的冷原子实验室。来源:美国国家航空航天局
国际号上的遥控设备美国国际空间站创造了另一个工具，研究人员可以用它来探索我们周围世界的基本性质。
科学家们首次在太空中制造出了一种包含两种原子的量子气体。这一成就是由美国宇航局的冷原子实验室在国际空间站上完成的，标志着将目前仅在地球上可用的量子技术带入太空的又一步。
从手机到GPS再到医疗设备，量子工具已经被广泛应用。在未来，它们可以用来加强对行星的研究，包括我们自己的行星，并帮助解决宇宙的奥秘，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研究发表在11月16日的《自然》杂志上。
这幅动画描绘了美国宇航局冷原子实验室中使用的六台精细调谐激光器，用于减慢原子的速度，降低它们的温度。科学家们现在可以利用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。来源:美国国家航空航天局/姓名
有了这个新功能，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，重点是不同类型的原子如何在量子状态下相互作用和结合。研究人员将能够在冷原子实验室进行更广泛的实验，并了解更多在微重力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来开发新的基于空间的量子技术至关重要。
推进量子化学
我们周围的物理世界依赖于原子和分子根据一套既定的规则保持在一起。但是不同的规则会根据原子和分子所处的环境而起主导或减弱作用，就像微重力一样。使用冷原子实验室的科学家正在探索原子的量子特性支配其行为的场景。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，两原子或三原子分子中的原子可以保持在一起，但距离越来越远，几乎就像分子变得蓬松一样。为了研究这些状态，科学家们首先需要减慢原子的速度。他们通过将它们冷却到比物质能达到的最低温度高一点的温度(见下面的视频)来做到这一点，这比自然宇宙中发现的任何东西都要冷得多:绝对零度，或零下459华氏度(零下273摄氏度)。
美国宇航局在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的十亿分之一度，或者原子应该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项壮举的呢?这是一个三步的过程，首先是科学家用精确调谐的激光撞击原子以使其减速。
物理学家在地面上的冷原子实验中创造了这些蓬松的分子，但它们非常脆弱，要么迅速分裂，要么坍塌回正常的分子状态。因此，具有三个原子的放大分子从未被直接成像。在空间站的微重力环境下，脆弱的分子可以存在更长的时间，并且有可能变得更大，所以物理学家们很兴奋地开始实验冷原子实验室的新能力。
新发型物理学专家
这些类型的分子可能不会在自然界中出现，但它们有可能被用来制造敏感的探测器，例如，它们可以揭示磁场强度的细微变化，或者任何其他导致它们破裂或崩溃的干扰。
“总的来说，我们在冷原子科学方面所做的是寻找和学习大自然赋予我们的新工具，”美国宇航局南加州喷气推进实验室的项目科学家、这项新研究的合著者杰森·威廉姆斯说。“这就像我们发现了一把锤子，我们才刚刚开始研究我们可以使用它的所有方法。”
美国宇航局的冷原子实验室让科学家们在微重力的自由下研究原子的量子性质。了解量子科学如何引领手机和电脑等日常技术的发展，以及冷原子实验室如何为新的突破铺平道路。来源:美国国家航空航天局/姓名
现代谜团
将量子气体与两种类型的原子结合使用的一种可能方法是测试所谓的等效原理，该原理认为，引力对所有物体的影响是相同的，而不管它们的质量如何。许多物理老师会通过将羽毛和锤子放在一个密封的真空室中，并展示在没有空气摩擦的情况下，两者以相同的速度下落来证明这一原理。1971年，阿波罗15号宇航员大卫·斯科特在月球表面做了这个实验，不需要真空室。
科学家们使用一种叫做原子干涉仪的仪器，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。他们在空间站的微重力环境中使用一种含有两种原子的量子气体和一个干涉仪，可以比在地球上更精确地测试这一原理。这样做，他们可能会了解到是否存在引力不平等对待所有物质的点，这表明阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论包含一个可能具有重大意义的小错误。
等效原理是广义相对论的一部分，广义相对论是现代引力物理学的支柱，它描述了像行星和星系这样的大物体的行为。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定律不相符，量子物理定律描述了原子等小物体的行为。这两个领域的定律在它们各自的大小领域里一次又一次地被证明是正确的，但物理学家一直无法将它们统一成一个对整个宇宙的单一描述。
寻找爱因斯坦理论无法解释的引力特征是寻找统一方法的一种方式。
开发先进传感器
科学家们已经有了超越在冷原子实验室的微重力下测试基础物理的想法。他们还提出了基于太空的实验，可以使用双原子干涉仪和量子气体来高精度测量重力，以了解暗能量的本质，暗能量是宇宙加速膨胀背后的神秘驱动力。他们学到的东西可能会导致广泛应用的精密传感器的发展。
这些传感器的质量将取决于科学家对这些原子在微重力下的行为的理解程度，包括这些原子如何相互作用。引入控制原子的工具，比如磁场，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。
参考:《空间中的量子气体混合和双种原子干涉测量》作者:Ethan R. Elliott、David C. Aveline、Nicholas P. Bigelow、Patrick Boegel、Sofia Botsi、Eric Charron、jos
P. D 'Incao、Peter Engels、timoth
Estrampes、Naceur Gaaloul、James R. Kellogg、James M. Kohel、Norman E. Lay、Nathan Lundblad、Matthias Meister、Maren E. Mossman、Gabriel m
ller、Holger m
ller、Kamal Oudrhiri、Leah E. Phillips、Annie Pichery、Ernst M. Rasel、Charles A. Sackett、Matteo Sbroscia、Wolfgang P. Schleich、Robert J. Thompson和Jason R. Williams, 2023年11月15日，《自然》。DOI: 10.1038 / s41586 - 023 - 06645 - w
一个关于冷原子实验室任务
喷气推进实验室是位于帕萨迪纳的加州理工学院(Caltech)的一个部门，它设计并建造了冷原子实验室，该实验室由位于华盛顿总部的美国宇航局科学任务理事会的生物和物理科学部(BPS)赞助。BPS?开创了?科学发现，并通过?利用空间环境进行在地球上不可能进行的?调查来实现探索。?研究极端条件下的生物和物理现象，可以使研究人员?推进基础科学知识?，使他们在太空中飞得更远，停留的时间更长，同时也有益于地球上的生命。分享推特reddit电子邮件分享
以前的文章
更多关于sciitechdaily
生物学
生物学
健康
地球
健康
空间
空间
健康
