参考消息网6月11日报道　据西班牙《趣味》月刊网站5月7日报道，科学家成功地利用超冷原子测量了空间振动，并在微重力条件下测试了双原子干涉测量技术，为新的相对论量子测试和太空探索传感器打开了大门。

  成就前所未有

  在国际空间站远离人类视线的一隅，一个实验室挑战着我们对宇宙运行方式的直观感觉。它只有一个小冰箱大小，但里面正在进行的实验可能会彻底改变我们对重力、时间和物质的理解。冷原子实验室(CAL)是美国国家航空航天局(NASA)的一个项目，它利用超冷原子以前所未有的精度测量微重力下的振动和其他物理效应。

  科学家最近取得了前所未有的成就：在太空中使用铷和钾原子进行原子干涉测量。发表在英国《自然-通讯》杂志上的一项研究报告指出，这一里程碑不仅是一项技术壮举，更是向利用量子测量证明物理学最基本原理(如自由落体运动的等效性)迈出的决定性一步。换句话说，他们正在利用原子来追问爱因斯坦是否正确，而且测量过程是在轨道上进行的。

  自2018年以来，冷原子实验室一直在国际空间站上运行，其雄心勃勃的目标是：研究物质在极端微重力条件下的行为。它的主要工具是制造玻色-爱因斯坦凝聚态，这是一种量子物质形式，其中成千上万的原子表现为单一的量子态。在接近绝对零度（零下273.15摄氏度）的温度下，单个粒子之间的差异消失，出现了在地球上无法观察到的集体现象。

  在这种优越的环境下，NASA首次成功地在太空中产生了铷-87和钾-41的二元凝聚态。这种原子类的组合使得在没有地球引力干扰的条件下研究不同原子之间的相互作用成为可能。据科研组称，“这些条件将使我们有可能在没有重力不对称性干扰的新环境中研究少体物理学、量子化学和基础物理学的各个方面”。

  目标意义深远

  原子干涉仪是这项实验最强大的工具之一，它是一种利用原子的波粒二象性的技术。从本质上讲，就是用激光束操纵一团超冷原子，使它们的波发生分裂，沿着不同的路径运行，然后再次重组。如果沿途受到某种力的影响(如重力或振动)，这种影响就会被记录为干涉模式的变化。

  在冷原子实验室中，科学家使用了两种不同种类的原子，用激光对它们进行干涉测量。结果，在两种原子中同时观察到了干涉模式。

  这项研究最有趣的发现之一是，超冷原子在国际空间站上起到了振动传感器的作用。这些振动在轨道环境中是正常的，在这个环境中，压力、方向或温度的微小变化都会产生传统仪器无法感知的运动。由于原子干涉仪具有极高的灵敏度，现在可以直接测量这些振动。

  研究小组记录了原子位置和加速度的微妙变化，证实了这种技术作为空间环境传感器的实用性。这也是首次利用原子本身远程检测干涉仪激光频率变化的实验，在此类环境中尚属首次。这种能力可能是提高未来科学任务稳定性和效能的关键。

  除了实际应用之外，该实验还有一个意义深远的目标：测试广义相对论在量子条件下的有效性，尤其是检验自由落体的普遍性，根据这一原理，所有物体在引力场中都以相同的速度下落，无论其构成如何。

  这一假设已在经典实验中得到了准确验证，但根据试图将量子力学与相对论统一起来的理论的预测，这一原则很可能在很小程度上遭到违反。通过使用两种不同的原子，可以对它们的轨迹进行极其精确的比较，并检测出其中任何一种轨迹是否存在微小偏差。

  技术填补空白

  正如研究人员所解释的，“所创造的条件使得在太空中制备多种量子测试气体成为可能，这是在太空中对广义相对论进行量子测试的关键一步”。尽管目前的研究还没有达到测试偏差所需的灵敏度，但为未来实现这一目标的任务奠定了基础。

  这项技术的潜力超出了理论物理学的范畴。在实践中，基于原子干涉测量法的传感器可用于精确绘制行星内部结构图、探测陆地冰盖的变化或研究地下水团的运动。

  目前正在进行中的GRACE-FO卫星任务已经使用重力传感器来测量这些现象，但原子干涉仪将更加精确和稳定。原子干涉仪还可以实现新形式的无全球定位系统导航，并在探索任务中更好地描述行星材料的特征。

  此外，在没有宇航员直接干预的情况下远程操作冷原子实验室的经验表明，这种系统是可靠的，可以安装在太阳系其他地区的探测器或自动空间站上。

  正如物理学家卡斯·萨基特所说，“这项技术可以帮助我们填补对物理学理解的空白，让我们更全面地了解我们所居住的现实世界”。（编译/刘丽菲）