在距离地面约400千米的国际空间站内，一个只有迷你冰箱大小的实验设施，正在改变科学家理解宇宙的方式。

今年5月8日，宇航员杰西卡·梅尔在国际空间站上为冷原子实验室（CAL）安装硬件更新，检查光纤。图片来源：NASA官网

近日，美国国家航空航天局（NASA）宣布，国际空间站上的冷原子实验室完成第四次重大升级。这个实验室正在将原子冷却至接近绝对零度的极低温状态，使原子进入一种名为“玻色—爱因斯坦凝聚态”的奇特量子状态。这种状态被称为超越固态、液态、气态和等离子态之外的“第五种物质状态”。在这种状态下，物质表现得不再像传统意义上的粒子，而更像是波。

升级后的冷原子实验室已在国际空间站恢复运行，它利用太空的独特环境来研究超冷原子的奇异行为。最新改进使科学家能够开展在地球上无法进行的全新量子实验。图片来源：NASA官网

这一概念听起来像科幻故事，但其目标非常现实。科学家正在探索，量子系统是否能够打造更精准的时钟、更灵敏的引力传感器以及新型导航工具，未来或许可以帮助航天器摆脱对传统信号的完全依赖。

最新升级后的冷原子实验室展示了空间技术的一次重要转变：研究人员不再只是观察宇宙，而是在轨道上学习如何控制自然界最微小的基本组成单元。

微重力环境让量子世界更易被观察

为什么科学家要把量子实验搬到太空？原因在于，量子世界的规律与我们日常生活中的经验完全不同，而地球环境中的干扰会阻碍科学家观察这些现象。

在宏观世界中，物体通常具有确定的位置和状态。但在量子尺度，粒子却可能表现出完全不同的特征。例如，量子力学理论认为，粒子可以同时处于多个状态，即量子叠加；不同粒子之间还可能通过量子纠缠产生联系；粒子也可以表现出类似波的性质。

然而，观察这些量子行为并不容易。美国《趣味科学》网站打了一个形象的比方：如果把一个原子放大到高尔夫球大小，那么按照相同比例放大，人类的身高将达到约地球到月球的距离。这意味着，原子与人类之间存在着难以想象的尺度差异，也正因如此，研究原子的量子行为极具挑战性。此外，热运动和重力等因素也会破坏原本微妙的量子状态，使科学家难以获得稳定的观测结果。

其次，在正常环境中，例如地球表面，科学家虽然也能制造和测量超冷原子，但热能、重力等因素会干扰这些微妙现象，限制观测时间和精度。而国际空间站的微重力环境，为研究量子物质提供了独特条件。在轨环境能让超冷原子形成的量子波扩展得更大，并保持更长时间，使科学家能够更加精细地研究量子行为。