尽管进行了数十年的研究，科学家们仍在试图了解宇宙的一切都融为一体。
尽管量子力学可以解释这三种力如何在最小尺度上协同作用（电磁力、弱核力和强核力），解释事物在最大尺度（即重力）上的行为方式。在这方面，重力仍然是顽固的因素。
为了了解引力如何在最小尺度上与物质相互作用，科学家们开发了一些真正前沿的实验。
其中之一是 NASA 的冷原子实验室（CAL），位于国际空间站上，最近通过创建被称为“原子云”的原子云实现了一个里程碑（BEC）。
这是首次在轨道上创建 BEC，并为探索物理定律提供了新的机会。
71 年前，Satyendra Nath Bose 和 Albert Einstein 最初预测，BEC 本质上是超冷原子，其温度略高于绝对零，即原子应该完全停止移动（理论上）的温度。
这些粒子寿命长且受精确控制，这使它们成为研究量子现象的理想平台。
这就是 CAL 设施的目的，即在微重力环境下研究超冷量子气体。该实验室于五月下旬安装在国际空间站的美国科学实验室内，是太空中的第一个此类实验室。
它旨在提高科学家精确测量重力并研究重力如何在最小尺度上与物质相互作用的能力。
正如 CAL 项目科学家、NASA 喷气推进实验室的物理学家 Robert Thompson 在最近的一篇文章中解释的那样新闻稿:
“在空间站上进行 BEC 实验是梦想成真。到达这里是一条漫长而艰难的道路，但完全值得付出努力，因为我们可以利用这个设施做很多事情。 ”
大约两周前，CAL 科学家证实该设施已经用铷原子生产了 BEC，铷是一种柔软的银白色碱金属元素。
根据他们的报告，它们的温度低至 100 纳开尔文，比绝对零（-273 摄氏度；-459 华氏度）高一千万开尔文。这比太空平均温度（-270 摄氏度；-454 华氏度）低大约 3 K。
由于其独特的行为，BEC 被称为第五种，与气体、液体、固体和等离子体不同。
在 BEC 中，原子在宏观尺度上的行为更像是波而不是粒子，而这种行为通常只能在微观尺度上观察到。
此外，原子都呈现最低能量状态并呈现相同的波特性，使它们彼此无法区分。
简而言之，原子云开始表现得像单个“超级原子”而不是单个原子，这使得它们更容易研究。
第一个 BEC 是由埃里克·康奈尔 (Eric Cornell)、卡尔·维曼 (Carl Wieman) 和沃尔夫冈·凯特勒 (Wolfgang Ketterle) 组成的科学团队于 1995 年在实验室中生产出来的，他们因其成就分享了 2001 年诺贝尔物理学奖。
从那时起，地球上已经进行了数百次 BEC 实验，其中一些实验甚至通过探空火箭被送入太空。
但 CAL 设施的独特之处在于，它是国际空间站上的第一个此类设施，科学家可以在那里进行长期的日常研究。该设施由两个标准化集装箱组成，其中较大的“四人储物柜”和较小的“单人储物柜”组成。
四边形储物柜包含 CAL 的物理包，CAL 将在其中产生超冷原子云。
这是通过使用磁场或聚焦激光来创建称为“原子陷阱”的无摩擦容器来完成的。当原子云在原子陷阱内减压时，其温度自然下降，在原子陷阱中停留的时间越长，温度就越低。
在地球上，当这些陷阱关闭时，重力会导致原子再次开始移动，这意味着它们只能在几分之一秒的时间内进行研究。
在国际空间站上，这是一个微重力环境，BEC 可以减压到比地球上任何仪器都低的温度，科学家们能够一次观察单个 BEC 5 到 10 秒，并每天重复这些测量长达 6 小时。
由于该设施是由喷气推进实验室的地球轨道任务操作中心远程控制的，因此日常操作不需要空间站上宇航员的干预。
喷气推进实验室天文学和物理理事会的总工程师罗伯特·肖特韦尔 (Robert Shotwell) 自 2017 年 2 月以来一直负责监督该项目。正如他在 NASA 最近的一份报告中指出的那样新闻稿:
“CAL 是一种极其复杂的仪器。通常，BEC 实验需要足够的设备来填满一个房间，并且需要科学家近乎持续的监控，而 CAL 的大小约为小型冰箱，可以从地球远程操作。”
“这是一场斗争，需要付出巨大的努力来克服生产当今空间站上运行的先进设施所需的所有障碍。”
展望未来，CAL 科学家希望走得更远，实现比地球上任何水平都低的温度。除了铷之外，CAL 团队还致力于使用两种不同的钾原子同位素来制造 BECS。
目前，CAL 仍处于调试阶段，运营团队进行一系列测试，了解 CAL 设施如何在微重力下运行。
然而，一旦它建成并运行，五个科学小组——包括康奈尔大学和凯特尔领导的小组——将在第一年在该设施进行实验。
科学阶段预计于九月初开始，将持续三年。正如 CAL 喷气推进实验室任务经理 Kamal Oudrhiri 所说：
“一支遍布全球的科学家团队已准备好并兴奋地使用这个设施。”
“他们计划进行的各种实验意味着，在我们将仪器交给主要研究人员开始科学操作之前，我们需要有许多技术来操纵和冷却原子，以适应微重力。”
如果有时间，冷原子实验室（CAL）可能会帮助科学家了解重力如何在最小的尺度上发挥作用。
结合欧洲核子研究中心和世界各地其他粒子物理实验室进行的高能实验，这最终可能导致万物理论（ToE）和对宇宙如何运作的完整理解。
请务必观看由 NASA 提供的 CAL 设施的精彩视频（无双关语！）：
