國際太空站上的遙控設施創造了另一種工具，研究人員可以用它來探測我們周圍世界的基本性質。在太空中，科學家首次製造出了含有兩種原子的量子氣體。美國國家航空暨太空總署（NASA）在國際太空站上的冷原子實驗室取得了這一成果，標誌著將目前只能在地球上使用的量子技術帶入太空又邁進了一步。

美國國家航空暨太空總署的冷原子實驗室。資料來源：美國國家航空暨太空總署

量子工具已經應用於從手機、全球定位系統到醫療設備的各個方面。未來，它們可以用來加強對包括我們自己的星球在內的行星的研究，幫助解開宇宙之謎，同時加深我們對自然基本法則的理解。

這項由地球上的科學家遠端完成的新工作在11月16日出版的《自然》（Nature）雜誌上做了介紹。

這段動畫描述了美國國家航空暨太空總署冷原子實驗室內使用的六台經過精密調諧的雷射器，用於減慢原子速度，降低原子溫度。科學家現在可以利用該實驗室來觀察不同類型的原子在這種低溫下是如何相互作用的。圖片來源：NASA/JPL-加州理工學院

有了這項新功能，冷原子實驗室現在不僅可以研究單一原子的量子特性，還可以研究量子化學，後者主要研究不同類型的原子在量子態下如何相互作用和相互結合。研究人員將能夠利用冷原子實驗室進行更廣泛的實驗，並進一步了解在微重力條件下進行實驗的細微差別。這些知識對於利用這個獨特的設施來開發新的天基量子技術至關重要。

推進量子化學

我們周圍的物理世界依賴原子和分子按照既定規則結合在一起。但不同的規則會因原子和分子所處的環境（如微重力）而起主導或削弱作用。利用冷原子實驗室的科學家正在探索原子的量子特性主導其行為的情景。例如，原子和分子的行為不像固體撞球，而更像波。

在其中一種情況下，雙原子或三原子分子中的原子可以保持結合在一起，但距離越來越遠，幾乎就像分子變得蓬鬆一樣。要研究這些狀態，科學家首先需要讓原子減速。為此，他們需要將原子冷卻到比物質所能達到的最低溫度高幾分之一的溫度（見下面的影片），這個溫度遠低於自然宇宙中的任何溫度：絕對零度，即零下459華氏度（零下273 攝氏度）。

美國國家航空暨太空總署國際太空站上的冷原子實驗室將原子冷卻到絕對零度以上十億分之一的溫度，也就是原子完全停止移動的溫度。宇宙中沒有任何地方的原子能自然達到這個溫度。但科學家是如何完成這項壯舉的呢？這是一個分三步驟進行的過程，首先，科學家用精確調諧的雷射擊打原子，使其減速。

物理學家已經在地面上的冷原子實驗中製造出了這種蓬鬆的分子，但它們極其脆弱，要么很快碎裂，要么又坍縮回正常的分子狀態。因此，人們從未對有三個原子的放大分子進行過直接成像。在太空站的微重力環境中，脆弱的分子可以存在更長時間，並且有可能變大，因此物理學家很高興能開始利用冷原子實驗室的新能力進行實驗。

物理學的新前沿

這些類型的分子在自然界中可能並不存在，但它們有可能被用來製造靈敏的探測器，例如可以揭示磁場強度的微妙變化，或任何其他導致它們破裂或坍縮的干擾。

美國太空總署南加州噴射推進實驗室的傑森-威廉斯（Jason Williams）是冷原子實驗室的計畫科學家，也是這項新研究的合著者之一。他說：”這就像我們發現了一把錘子，而我們才剛開始研究使用它的所有方法。”

NASA 的冷原子實驗室讓科學家們能夠在自由的微重力環境中研究原子的量子本質。了解量子科學如何促進手機和電腦等日常技術的發展，以及冷原子實驗室如何為新的突破鋪路。圖片來源：NASA/JPL-加州理工學院

使用含有兩種原子的量子氣體的一種可能方法是測試一種稱為等效原理的概念，該原理認為，無論物體的質量如何，重力對所有物體的影響都是相同的。許多物理老師都會示範這項原理，將一根羽毛和一個錘子放在密封的真空室中，並證明在沒有空氣摩擦的情況下，兩者下落的速度相同。1971 年，阿波羅15 號太空人大衛-斯科特（David Scott）在月球表面做了這個實驗，而不需要真空室。

科學家利用一種名為原子乾涉儀的儀器，已經在地球上進行了實驗，看看等效原理在原子尺度上是否成立。在太空站的微重力環境中，利用含有兩種原子的量子氣體和乾涉儀，他們可以比在地球上更精確地測試該原理。這樣做，他們可能會了解到是否有一點重力不能平等對待所有物質，這表明阿爾伯特-愛因斯坦的廣義相對論包含一個可能產生重大影響的小錯誤。

等效原理是廣義相對論的一部分，是現代重力物理學的支柱，它描述了行星和星係等大型天體的行為方式。但現代物理學的一個主要謎團是，為什麼重力定律似乎與量子物理學定律不一致，而量子物理學定律描述的是原子等小物體的行為。這兩個領域的定律在各自的大小範圍內被一再證明是正確的，但物理學家無法將它們統一為對宇宙整體的單一描述。

尋找愛因斯坦理論無法解釋的萬有引力特徵是尋找統一方法的途徑之一。

開發先進感測器

科學家已經有了在冷原子實驗室的微重力環境下測試基礎物理學的想法。他們也提出了利用雙原子乾涉儀和量子氣體進行高精度重力測量的天基實驗，以了解宇宙加速膨脹背後的神秘驅動力–暗能量的性質。他們所學到的知識可能有助於開發廣泛應用的精密感測器。

這些感測器的質量將取決於科學家對這些原子在微重力下的行為，包括這些原子之間如何相互作用的了解程度。引入磁場等工具來控制原子，可以使它們像油和水一樣相互排斥，或像蜂蜜一樣黏在一起。了解這些相互作用是冷原子實驗室的關鍵目標。