儘管進行了數十年的研究，科學家仍在試圖了解宇宙的一切都融為一體。
儘管量子力學可以解釋這三種力如何在最小尺度上協同作用（電磁力、弱核力和強核力），解釋事物在最大尺度（即重力）上的行為。在這方面，重力仍然是頑固的因素。
為了了解引力如何在最小尺度上與物質相互作用，科學家們發展了一些真正前沿的實驗。
其中之一就是 NASA 的冷原子實驗室（CAL），位於國際太空站上，最近透過創建被稱為「原子雲」的原子雲實現了一個里程碑（BEC）。
這是首次在軌道上創建 BEC，並為探索物理定律提供了新的機會。
71 年前，Satyendra Nath Bose 和 Albert Einstein 最初預測，BEC 本質上是超冷原子，其溫度略高於絕對零度，即原子應該完全停止移動（理論上）的溫度。
這些粒子壽命長且受精確控制，這使它們成為研究量子現象的理想平台。
這就是 CAL 設施的目的，在微重力環境下研究超冷量子氣體。該實驗室於五月下旬安裝在國際太空站的美國科學實驗室內，是太空中的第一個此類實驗室。
它旨在提高科學家精確測量重力並研究重力如何在最小尺度上與物質相互作用的能力。
正如 CAL 計畫科學家、NASA 噴射推進實驗室的物理學家 Robert Thompson 在最近的一篇文章中所解釋的那樣新聞稿:
「在太空站上進行 BEC 實驗是夢想成真。到達這裡是一條漫長而艱難的道路，但完全值得付出努力，因為我們可以利用這個設施做很多事情。 ”
大約兩週前，CAL 科學家證實該設施已經用銣原子生產了 BEC，銣是一種柔軟的銀白色鹼金屬元素。
根據他們的報告，它們的溫度低至 100 納開爾文，比絕對零度（-273 攝氏度；-459 華氏度）高出一千萬開爾文。這比太空平均溫度（-270 攝氏度；-454 華氏度）低約 3 K。
由於其獨特的行為，BEC 被稱為第五種，與氣體、液體、固體、等離子體不同。
在 BEC 中，原子在宏觀尺度上的行為更像是波而不是粒子，而這種行為通常只能在微觀尺度上觀察到。
此外，原子都呈現最低能量狀態並呈現相同的波特性，使它們彼此無法區分。
簡而言之，原子雲開始表現得像單個「超級原子」而不是單個原子，這使得它們更容易研究。
第一個BEC 是由埃里克·康奈爾(Eric Cornell)、卡爾·維曼(Carl Wieman) 和沃爾夫岡·凱特勒(Wolfgang Ketterle) 組成的科學團隊於1995 年在實驗室中生產出來的，他們因其成就分享了2001 年諾貝爾物理學獎。
從那時起，地球上已經進行了數百次 BEC 實驗，其中一些實驗甚至透過探空火箭送入太空。
但 CAL 設施的獨特之處在於，它是國際太空站上的第一個此類設施，科學家可以在那裡進行長期的日常研究。該設施由兩個標準化貨櫃組成，其中較大的「四人儲物櫃」和較小的「單人儲物櫃」組成。
四邊形儲物櫃包含 CAL 的實體包，CAL 將在其中產生超冷原子雲。
這是透過使用磁場或聚焦雷射來創建稱為「原子陷阱」的無摩擦容器來完成的。當原子雲在原子陷阱內減壓時，其溫度自然下降，在原子陷阱停留的時間越長，溫度就越低。
在地球上，當這些陷阱關閉時，重力會導致原子再次開始移動，這意味著它們只能在幾分之一秒的時間內進行研究。
在國際太空站上，這是一個微重力環境，BEC 可以減壓到比地球上任何儀器都低的溫度，科學家們能夠一次觀察單個 BEC 5 到 10 秒，並每天重複這些測量長達 6 小時。
由於該設施是由噴氣推進實驗室的地球軌道任務操作中心遠端控制的，因此日常操作不需要太空站上太空人的干預。
噴射推進實驗室天文學和物理理事會的總工程師羅伯特·肖特韋爾 (Robert Shotwell) 自 2017 年 2 月以來一直負責監督該項目。新聞稿:
「CAL 是一種極其複雜的儀器。通常，BEC 實驗需要足夠的設備來填滿一個房間，並且需要科學家近乎持續的監控，而 CAL 的大小約為小型冰箱，可以從地球遠端操作。”
“這是一場鬥爭，需要付出巨大的努力來克服生產當今空間站上運行的先進設施所需的所有障礙。”
展望未來，CAL 科學家希望走得更遠，實現比地球上任何水平都低的溫度。除了銣之外，CAL 團隊也致力於使用兩種不同的鉀原子同位素來製造 BECS。
目前，CAL 仍處於調試階段，營運團隊進行一系列測試，以了解 CAL 設施如何在微重力下運作。
然而，一旦它建成並運行，五個科學小組——包括由康奈爾大學和凱特爾領導的小組——將在第一年在該設施進行實驗。
科學階段預計於九月初開始，將持續三年。正如 CAL 噴射推進實驗室任務經理 Kamal Oudrhiri 所說：
“一支遍布全球的科學家團隊已準備好並興奮地使用這個設施。”
“他們計劃進行的各種實驗意味著，在我們將儀器交給主要研究人員開始科學操作之前，我們需要有許多技術來操縱和冷卻原子，以適應微重力。”
如果有時間，冷原子實驗室（CAL）可能會幫助科學家了解重力如何在最小的尺度上發揮作用。
結合歐洲核子研究中心和世界各地其他粒子物理實驗室進行的高能量實驗，最終可能導致萬物理論（ToE）和對宇宙如何運作的完整理解。
請務必觀看由 NASA 提供的 CAL 設施的精彩影片（無雙關語！）：
