2026年6月16日——国际空间站上的宇航员已启动美国国家航空航天局新升级的冷原子实验室，这是一个独一无二的设施，旨在改善科学家探索物质基本运作机制的方式，并开发新的量子技术。通过利用太空微重力环境的独特优势，该实验室能够完成在其他任何地方都无法实现的尖端科学研究。

量子科学是在最小尺度（如原子、电子和单个光子）上研究物质的学科。虽然很容易将原子想象成相互碰撞的台球，但它们也表现出波状行为，可以同时存在于两个位置，甚至可能相互穿透。

冷原子实验室大小与迷你冰箱相当，由地面操作，它将原子冷却到低于零下459华氏度（零下237摄氏度）的温度。在这个接近绝对零度的极端低温下，原子会形成一个称为玻色-爱因斯坦凝聚体的大型量子物体，这是一种物质波集合，是超越固体、液体、气体和等离子体的第五种物质状态。尽管该物体比亚原子粒子大得多，但它遵循量子力学定律，而近地轨道的微重力有助于使这些物质波变得更大。

建造该设施的南加州NASA喷气推进实验室的冷原子实验室项目科学家Jason Williams表示：“在最低温度下，物质的行为与我们经历过的任何事物截然不同。物质的类波性质占主导地位，超冷物质不仅可以表现出意想不到的行为，而且还能实现对时间、重力和运动的极其精确的测量。这个实验室拥有许多工具——尤其是经过此次最新升级后——让我们能够探索宇宙的本质。”

该项目支持五个研究基础物理学的国际团队。它还测试了量子工具的空间适应性，这些工具有可能支持未来的地球科学和太空探索任务。

工作原理

冷原子实验室的核心是一组复杂的仪器，称为其科学模块。一个升级后的模块于4月11日作为商业补给服务任务的一部分发射到空间站，使得新型实验成为可能。

对于每个实验，一条铷或钾金属带被加热到高达750华氏度（400摄氏度）——温度高到足以在该设施的真空室内形成气体。然后，调谐到特定频率的激光射向该气体，耗尽这些原子的能量，并通过减慢它们的速度来冷却它们。一旦气体完成激光冷却阶段，一个磁阱会捕获并将气体固定到位。通过一系列复杂技术，实验室进一步降低原子云的能量，使其接近静止状态，并最大化其在微重力下的停留时间。

虽然地球上也存在研究超冷气体的设施，但冷原子实验室可以在微重力下更长时间、以更低温度研究量子气体。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，这些波与重力的相互作用时间也更长。为了利用这些优势，冷原子实验室基本上将一个通常充满激光和桌面反射镜、有整个房间大小的原子物理实验室缩小，以适应空间站上的实验机架。

JPL的冷原子实验室副项目科学家Ethan Elliott表示：“作为首个在轨道上产生玻色-爱因斯坦凝聚体的项目，我们正在证明我们可以让量子技术在太空中可靠地工作。在上个世纪，一场量子革命催生了激光、手机和用于医学成像的核磁共振成像仪。我们正在执行量子2.0——直接操纵大型量子态——我们希望通过在轨道上推进这门科学，在量子技术方面获得类似的收益。”

此次最新升级是自2018年冷原子实验室抵达空间站以来的第四次。关键改进包括一个新设计的磁阱，它可以改变量子气体云的形状，使科学家能够测试与其原子相关的不同特性。该升级还采用了重新设计的金属带，作为这些气体云的来源。

JPL冷原子实验室的项目经理Kamal Oudrhiri在提及这些低温时表示：“这是我们拥有的最接近控制量子世界边界的东西。这次新的升级将那个边界推得更远。”

Oudrhiri补充说，这次升级“展示了NASA保持美国在空间量子技术领域领先地位的能力，同时使未来的量子仪器走向成熟，例如用于基础物理任务、定位、导航、授时以及对地球、月球及更远天体进行重力感应的物质波干涉仪。”