国际空间站上的宇航员已启动美国宇航局新升级的冷原子实验室，这是一个独特的设施，旨在提高科学家探索物质基本运作方式的能力，并开发新的量子技术。通过利用微重力的独特环境，该实验室能够完成在其他地方无法进行的尖端科学。量子科学是研究物质在最小尺度上的行为，如原子、电子和单个光粒子。虽然很容易将原子想象成彼此反弹的台球，但它们也表现出波动行为，能够同时存在于两个地方，甚至可能相互穿透。冷原子实验室的大小大约相当于一个迷你冰箱，并由地面操作，将原子冷却至低于华氏459度（摄氏-237度）的温度。在这个接近绝对零度的极低温下，原子形成一种称为波色-爱因斯坦凝聚态（BEC）的大型量子物体，这是超越固体、液体、气体和等离子体的第五种物质状态。这种物体遵循量子力学的规则，尽管它的大小远大于亚原子粒子，而低地球轨道的微重力又有助于使波动更大。美国宇航局喷气推进实验室冷原子实验室的项目科学家杰森·威廉姆斯表示：“在最低温度下，物质的行为与我们所经历的任何事物截然不同。物质的波动特性占主导地位，超冷物质可能以意想不到的方式表现，从而实现对时间、重力和运动的极其精确的测量。实验室有很多工具，特别是通过这次最新升级，让我们能够探测宇宙的本质。”该项目支持五个国际团队研究基本物理学，也测试能够支持未来地球科学和太空探索任务的量子工具的太空适应性。冷原子实验室的核心是一个复杂的仪器组，称为科学模块。一个升级模块于4月11日作为商业补给服务任务的一部分发射到空间站，启用新类型的实验。对于每个实验，一条铷或钾金属的带子被加热到高达750华氏度（400摄氏度）——足够在设施的真空腔内形成气体。然后激光以特定频率照射气体，抽取这些原子的能量，并通过减速来冷却它们。在这个气体完成激光冷却阶段后，磁阱捕获并固定气体。通过一系列复杂的技术，实验室进一步降低原子云的能量，使其接近停滞，并最大化其在微重力中的存在时间。虽然用于研究超冷气体的设施在地球上存在，但冷原子实验室可以在微重力下更长时间和更低温度下研究量子气体。在低重力下进行这些实验使科学家能够研究更大的量子波，这些波也能与重力进行更长时间的相互作用。为了利用这些优势，冷原子实验室基本上将一个原子物理实验室（通常是一个充满激光和台面镜子的整间房间）压缩到适合放置在空间站实验架上的大小。喷气推进实验室冷原子实验室的副项目科学家伊桑·埃利奥特说道：“作为第一个在轨道上创建波色-爱因斯坦凝聚态的项目，我们展示了如何在太空中可靠地应用量子技术。在上个世纪，发生了一场量子革命，催生了激光、手机和医学成像的MRI。我们正在进行量子2.0——直接操控大型量子态——并希望通过在轨道上推进这一科学，在量子技术上取得类似的进展。”最新的升级是自2018年冷原子实验室到达空间站以来的第四次重要改进，主要改进包括新设计的磁阱，改变了量子气体云的形状，使科学家能够测试与其原子相关的不同属性。升级还具有重新设计的金属带，作为气体云的来源。喷气推进实验室的冷原子实验室项目经理卡马尔·奥德里表示：“这是我们接近控制量子世界边界的最接近的东西，”他指出这些低温。“这次新的升级将那个边界推得更远。”奥德里补充说：“这次升级展示了美国宇航局在基于太空的量子技术方面维持美国领导地位的能力，同时推动未来量子仪器的成熟，如用于基本物理任务的物质波干涉仪，地球、月球及更远处的定位、导航、计时和重力传感。”加州理工学院在帕萨迪纳管理着喷气推进实验室，设计、建造并运营冷原子实验室，该实验室由美国宇航局科学任务局的生物和物理科学部门资助。