美國宇航局（NASA）正在研究混合現實技術是否可以幫助國際空間站上的先進冷原子物理實驗室（CAL）的維修和升級。 NASA的冷原子物理實驗室是在地球軌道上運行的第一個物理實驗室。

冷原子物理實驗室大約有一個迷你冰箱那麼大，它承載著多個實驗，通過將原子冷卻到接近絕對零度（物質可以達到的最冷溫度）來探索原子的基本性質。 超低溫原子提供了一個進入量子領域的視窗，在那裡物質表現出奇怪的行為，是許多現代技術的基礎。

2020年，NASA宇航員Christina Koch在國際空間站延長逗留期間，與地球上的任務團隊成員合作，在冷原子實驗室安裝升級的硬體。 除了為這個新穎的設施增加新的功能外，這項工作還證明瞭另一件事：這種維護可以在不需要將實驗室拖回地球的情況下進行。

NASA計劃在未來幾年內對冷原子實驗室進行一系列額外的升級，因此任務小組正在調查如何使這些活動更加有效。 今年夏天早些時候，他們成功地測試了一個可以幫助實現這一目標的新工具：微軟Hololens，一個混合現實頭顯。 7月15日，宇航員 Megan McArthur 在更換冷原子實驗室內的一個硬體時使用了這種頭顯，使該設施除了自2018年開始運行以來一直使用的銣原子外，還能生產超冷的鉀原子。

像HoloLens這樣的混合現實頭顯看起來像包裹性的太陽鏡，與虛擬實境頭顯（產生完全的虛擬環境）不同，HoloLens有透明的鏡片，將虛擬和現實世界融合在一起。 這使 McArthur能夠看到她周圍的區域，設備上的一個小型前向攝像頭使在南加州美國宇航局噴氣推進實驗室地球軌道任務操作中心的大螢幕上觀看的冷原子實驗室團隊成員能夠看到她所看的東西。 相比之下，在2020年Christina Koch進行的活動中，團隊只能從宇航員身後或上方的固定攝像機中看到實時視頻，使他們對硬體的看法大多被遮擋。

McArthur還可以看到冷原子實驗室操作團隊在她的視野中放置的虛擬圖形註釋，如文字和箭頭。 例如，當她看著一系列電纜時，任務小組可以在她的視野中放置一個箭頭，指向她需要拔掉的特定電纜。 即使她把頭移開再移回來，箭頭仍會指向同一個電纜位置。

虛擬實境頭顯已經被用於空間站上的各種應用，混合現實也被用於少數情況。 但通常情況下，這些活動的目標是使宇航員更容易單獨完成一項任務。 冷原子實驗室的硬體更換活動標誌著首次使用混合現實頭顯來改善宇航員和地球上的工程師之間的現場互動;它也標誌著首次使用混合現實技術來修復空間站上的科學實驗。 這項活動的準備工作歷時6個月，由美國宇航局的JPL、休斯頓的約翰遜航太中心和阿拉巴馬州亨茨維爾的馬歇爾太空飛行中心合作完成。

“冷原子實驗室正在投資在空間站上使用這項技術，不僅僅是因為它引人入勝，還因為它可以為我們依靠宇航員執行的這些複雜任務提供額外的能力，”冷原子實驗室在JPL的專案經理Kamal Oudrhiri說。 “這項活動是冷原子實驗室和量子科學如何利用混合現實技術的完美展示。”

量子力學

量子科學揭示了物理世界的許多非直觀特徵。 這些發現中的一些導致了我們許多人日常使用的技術的發展，如晶體管和微晶元。

冷原子實驗室是地球軌道上的第一個量子科學設施。 冷卻原子使它們移動得更慢，使它們更容易被研究。 而且超冷原子還可以形成第五種物質狀態，稱為玻色-愛因斯坦凝聚態 ，它在宏觀尺度上顯示典型的微觀量子特徵。

在微重力環境下，科學家們可以使原子變得更冷，並比在地球上研究它們的時間更長。 這開闢了在地面上無法獲得的研究途徑。 通過使冷原子實驗室可升級，團隊成員可以隨著研究的進展增加新的工具和能力，因此他們可以尋求新問題的答案並進行越來越複雜和有影響的實驗。

冷原子實驗室的項目科學家 Jason Williams說：”這項維修活動使鉀氣也能在冷原子實驗室中進行研究，這將使科學家們能夠利用多物種氣體進行量子化學和基礎物理學的數十項新實驗，在這些氣體中，原子以有趣的方式在只有在微重力下才能實現的超低溫度下相互作用。 我們的目標是讓冷原子實驗室成為一個不斷發展的科學設施，這樣我們就可以快速建立我們的研究，並與宇航員合作增加新的硬體能力，而不需要每一步都建立和發射新的設施。 ”

像冷原子實驗室這樣的設施的硬體升級通常只能由對硬體非常熟悉的人完成，因為在這個過程中的一個錯誤步驟可能會影響冷原子實驗室的運行能力。 McArthur必須在精細、緊密的內部元件周圍工作，包括十幾張電子卡、迷宮般的電線和電纜，以及用於在密封的真空室內將原子冷卻到近乎絕對零度的微調鐳射器等，同時用紅外攝像機觀察它們。

冷原子實驗室的未來升級還將涉及空間站上的宇航員和地面上的團隊成員之間的實時互動。 這就是這次混合現實的試驗性使用對團隊來說是如此鼓舞人心的原因。

負責管理這項任務的JPL冷原子實驗室的運載火箭和空間站集成負責人 Jim Kellogg說：”像這樣的任務需要與地面上的專家進行大量的實時指導，而這正是HoloLens可能非常有用的地方。 ”