为了理解重力如何与最小的尺度上的物质相互作用，科学家们开发了一些真正前沿的实验。其中之一是美国国家航空航天局的冷原子实验室（CAL），位于国际空间站，最近通过创造称为玻色 - 爱因斯坦凝聚体（BECs）的原子云实现了里程碑。这是BEC首次在轨道上创建，并提供了探索物理定律的新机会。
最初由Satyendra Nath Bose和阿尔伯特爱因斯坦在71年前预测，BEC本质上是超冷原子，其温度刚好达到绝对零度以上，原子应完全停止运动（理论上）。这些粒子具有长寿命和精确控制，是研究量子现象的理想平台。
冷原子实验室（CAL）由两个标准化容器组成，将安装在国际空间站上
这就是CAL设施的目的，即在微重力环境中研究超冷量子气体。该实验室于5月底在国际空间站上安装在美国科学实验室，是太空中的第一个实验室。它旨在提高科学家对重力进行精确测量的能力，并研究它如何在最小尺度上与物质相互作用。
正如美国宇航局喷气推进实验室的CAL项目科学家和物理学家罗伯特汤普森在最近的一份新闻稿中解释道：
“在空间站上进行BEC实验是一个梦想成真。走到这里是一条漫长而艰难的道路，但完全值得为之奋斗，因为我们可以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从铷原子产生BECs - 铷是一种柔软的银白色金属元素。根据他们的报告，他们已达到低至100纳克的温度，高于绝对零度的一千万开尔文（-273°C; -459°F）。这大约比空间的平均温度低3 K（-270°C; -454°F）。
由于其独特的行为，BEC被定性为第五种物质状态，不同于气体，液体，固体和等离子体。在BEC中，原子在宏观尺度上的行为更像波，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，原子都处于最低能量状态并具有相同的波同一性，使它们彼此难以区分。
冷原子实验室内部的“物理包”，其中产生了称为玻色 - 爱因斯坦凝聚体的超冷原子云
简而言之，原子云开始表现得像单个“超原子”而不是单个原子，这使它们更容易研究。第一批BEC是由一个由Eric Cornell，Carl Wieman和Wolfgang Ketterle组成的科学团队于1995年在实验室制作的，他们分享了2001年诺贝尔物理学奖的成就。从那时起，已经在地球上进行了数百次BEC实验，有些甚至已经在探空火箭上被送入太空。
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，科学家们可以长期进行日常研究。该设施由两个标准化容器组成，包括较大的“四锁柜”和较小的“单锁柜”。四重储物柜包含CAL的物理包，CAL将产生超冷原子云的隔间。
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。当原子云在原子阱内解压缩时，其温度自然下降，在陷阱中保留的时间越长越冷。在地球上，当这些陷阱被关闭时，重力会使原子再次开始移动，这意味着它们只能被研究几分之一秒。
在ISS这个微重力环境下，BEC可以解压缩到比地球上任何仪器更冷的温度，科学家们可以一次观察5到10秒的单个BEC，并且每天重复这些测量长达6小时。由于该设施远离JPL的地球轨道任务操作中心进行远程控制，因此日常操作无需车站上的宇航员进行干预。
JPL科学家和Cold Atom Lab的原子物理团队成员（从左到右）David Aveline，Ethan Elliott和Jason Williams。
JPL天文学和物理学理事会首席工程师Robert Shotwell自2017年2月开始监督该项目。正如他在最近的美国宇航局新闻稿中指出的那样：
“CAL是一种极其复杂的工具。通常，BEC实验涉及足够的设备来填充房间并且需要科学家几乎不间断的监测，而CAL大约相当于小型冰箱的尺寸并且可以从地球远程操作。这是一场斗争，需要付出巨大努力来克服生产今天在空间站上运行的复杂设施所需的所有障碍。“
展望未来，CAL科学家们希望更进一步，实现低于地球上任何温度的温度。除铷外，CAL团队还致力于使用两种不同的钾原子同位素制备BECS。目前，CAL仍处于调试阶段，其中包括执行一系列测试的运营团队，了解CAL设施如何在微重力下运行。
然而，一旦它启动并运行，五个科学小组 - 包括由康奈尔和凯特勒领导的小组 - 将在第一年在该设施进行实验。科学阶段预计将于9月初开始，并将持续三年。正如JPL的CAL任务经理Kamal Oudrhiri所说：
“有一个全球范围内的科学家团队已经准备好并且很兴奋地使用这个设施。他们计划进行的各种各样的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，有许多技术可以操纵和冷却我们需要适应微重力的原子。“
考虑到时间，冷原子实验室（CAL）可以帮助科学家了解重力如何在最小的尺度上工作。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，最终可以形成一个万物理论（ToE），并完全理解宇宙的运作方式。
