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將量子技術用於先進的太空科學，為重力場、暗物質和暗能量提供新的見解，並在微重力狀態下測試廣義相對論的各個方面。

美國國家航空暨太空總署的冷原子實驗室利用量子技術強化太空科學，探索重力變化、暗物質和暗能量，並在微重力環境中測試廣義相對論。資料來源：美國國家航空暨太空總署

未來的太空任務可以利用量子技術追蹤地球上的水，探索衛星和其他行星的組成，或是探測神秘的宇宙現象。

美國國家航空暨太空總署（NASA ）的冷原子實驗室是國際太空站（ISS）上的一個首創設施，它朝著徹底改變量子科學在太空中的應用方式又邁進了一步。科學團隊的成員利用實驗室的一種機載工具測量了太空站的微妙振動–這是首次利用超冷原子來探測太空中周圍環境的變化。

這項研究發表在8 月13 日的《自然-通訊》（Nature Communications）上，同時也是原子在太空中自由落體的波浪性質的最長演示報告。

冷原子實驗室科學小組利用一種名為原子乾涉儀的量子工具進行了測量，這種工具可以精確測量重力、磁場和其他力。地球上的科學家和工程師利用這種工具來研究重力的基本性質，並推動飛機和船舶導航技術的發展。 (手機、電晶體和全球定位系統只是基於量子科學但不涉及原子乾涉儀的其他幾項主要技術）。

美國國家航空暨太空總署（NASA）國際太空站上的冷原子實驗室經常是宇宙中已知最冷的地方。但是，科學家為什麼要製造出比絕對零度高出幾分之一的原子雲呢？他們又為什麼要在太空中這樣做呢？當然是量子物理學。以下是CAL 如何幫助科學家更了解微型化技術等背後的物理學，以及構成我們所見萬物的粒子的基本性質。資料來源：美國國家航空暨太空總署噴射推進實驗室

物理學家一直渴望在太空中應用原子乾涉測量法，因為太空中的微重力允許更長的測量時間和更高的儀器靈敏度，但這種靈敏度極高的設備一直被認為過於脆弱，在沒有人工協助的情況下無法長時間運作。從地球上遙控操作的冷原子實驗室現在已經證明了這一點。

美國國家航空暨太空總署南加州噴射推進實驗室冷原子實驗室計畫科學家傑森-威廉斯說：『達到這一里程碑具有極大的挑戰性，我們的成功並不總是必然的。這需要團隊的奉獻精神和冒險精神才能實現”。

美國國家航空暨太空總署（NASA）的冷原子實驗室（如圖所示，該實驗室安裝在國際太空站上）最近展示了一種名為原子乾涉儀的工具的使用，這種工具可以精確測量重力和其他力–在太空中有許多潛在的應用。圖片來源：NASA/JPL-Caltech

能夠高精度測量重力的天基感測器具有廣泛的潛在應用。例如，它們可以揭示太陽系中行星和衛星的組成，因為不同的材料具有不同的密度，從而產生微妙的重力變化。

美國和德國合作的GRACE-FO（重力恢復和氣候實驗後續計畫）已經在進行這種測量，該計畫透過探測重力的微小變化來追蹤地球上水和冰的運動。原子乾涉儀可以提供更高的精度和穩定性，揭示地表質量變化的更多細節。

對萬有引力的精確測量也能讓我們深入了解暗物質和暗能量這兩大宇宙學之謎的本質。暗物質是一種看不見的物質，在宇宙中比構成行星、恆星和我們所能看到的一切的”常規”物質要常見五倍。暗能量是宇宙加速膨脹的未知驅動力。

維吉尼亞大學教授卡斯-薩基特（Cass Sackett）是冷原子實驗室的主要研究員，也是這項新研究的共同作者。他介紹說：”這是解釋宇宙大尺度結構的基本理論，我們知道該理論的某些方面我們還沒有正確理解。這項技術可能會幫助我們填補這些空白，讓我們更全面地了解我們所居住的現實世界。

美國國家航空暨太空總署（NASA）的冷原子實驗室（Cold Atom Lab）在國際太空站（International Space Station）這個世外桃源裡研究原子的量子本質，原子是我們宇宙的組成部分。這則動畫解說探討了什麼是量子科學，以及為什麼NASA 要在太空中進行這項研究。資料來源：NASA/JPL-加州理工學院

冷原子實驗室大約有一個迷你冰箱大小，於2018年發射到太空站，目標是透過在低地球軌道的微重力環境中放置一個長期設施來推動量子科學的發展。實驗室將原子冷卻到幾乎絕對零度，即華氏零下459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，這是一種所有原子基本上具有相同量子特性的物質狀態。因此，原子的一些典型的微觀量子特性變得宏觀，使它們更容易研究。

量子特性包括有時像固體粒子，有時像波。科學家們不知道這些構成所有物質的基石是如何在如此不同的物理行為之間轉換的，但他們正在利用量子技術（如冷原子實驗室提供的技術）來尋找答案。

在微重力狀態下，玻色-愛因斯坦凝聚體可以達到更低的溫度，存在的時間也更長，這給了科學家更多研究它們的機會。原子乾涉儀是該設施中的幾種工具之一，可利用原子的量子特性進行精確測量。

由於其波狀行為，一個原子可以同時走過兩條物理上獨立的路徑。如果重力或其他力量作用在這些波上，科學家就可以透過觀察這些波如何重新組合和相互作用來測量這種影響。

紐約羅徹斯特大學（University of Rochester）教授、冷原子實驗室（Cold Atom Lab）首席研究員尼克-比奇洛（Nick Bigelow）說：”我預計，天基原子乾涉測量法將帶來令人興奮的新發現和影響日常生活的奇妙量子技術，並將把我們帶入量子未來。

編譯自/ scitechdaily