即使对于那些毕生致力于理解引力的科学家来说，引力无情的向下牵引有时也是一种阻碍。例如，研究玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）作为基本物理学精密探针的研究人员。当稀薄的原子气体被冷却到接近绝对零度时，BEC就会出现，并开始表现得像一个单一的、奇怪的量子物质块——类似于扭动的水分子一旦被冷却就会变成一块冰。这些奇特的集合放大了原本隐藏的量子力学效应，例如物质的波动性，使其在宏观尺度上可见。然而，有时引力的有害影响会妨碍研究。
在地球上摆脱引力的束缚需要使BEC进行自由落体，通常是在高空坠落塔或在抛物线弧线中飞行的飞机内进行短暂的自由落体。但最好的方法无疑是离开地球，将BEC放入火箭中，在太空中体验更长时间的失重自由落体。最近，一个由德国航天局资助的物理学家团队报告了他们所做的尝试。在今年2月发表于《自然通讯》上的文章中，他们公布了2017年的一项实验结果，该实验在距离地球表面近300公里的亚轨道探空火箭上，在毫米大小的芯片上制造了BEC。随后，BEC在微重力条件下相互碰撞，使物理学家能够极其详细地研究碰撞过程。他们的任务MAIUS-1是首次在太空中成功碰撞BEC，这为未来在太空进行的基本物理学测试指明了方向。
凝聚态的碰撞
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当两个BEC碰撞时，它们不会像原子通常那样相互反弹，而是以波的形式相互作用。当它们的波峰对齐时，它们会形成更高的波。如果一个物质波的波峰与另一个物质波的波谷重叠，它们会相互抵消，留下空白空间。两个未对齐的凝聚态之间的相遇会导致波干涉图案：明亮的条纹交替出现，两个波在那里增强，而暗条纹则出现在它们相互湮灭的地方。创造和研究物质中的这些图案被称为原子干涉测量法。
在MAIUS-1火箭上，一个精心编排的激光系统将超冷原子分裂成多个物质波，然后让它们碰撞。在火箭内部拍摄的图像，以及航天器返回地球后分析的结果，显示了一个详细的条纹干涉图案，该图案是由每个BEC的波峰和波谷的形状和位置的细微差异产生的。通过研究这些细节，研究人员可以判断，在碰撞之前，物质波是否因与光或周围的任何其他力的相互作用而发生了变化。
德国汉诺威莱布尼茨大学的物理学家、该研究的合著者纳西尔·加鲁尔表示：“原子对所有这些都很敏感。” 加鲁尔说，BEC碰撞产生的条纹图案有点像考古挖掘：它帮助科学家确定物质波在碰撞前的精确历史，并找出任何可能移动其波峰和波谷的东西。
引力的作用使事情变得复杂，因为它使BEC在相互移动时发生坠落，导致碰撞非常短暂，干涉图案模糊不清。太空的微重力条件消除了这些限制。
据汉诺威莱布尼茨大学的物理学家、该研究的主要作者梅克·D·拉赫曼称，摆脱引力一直是她团队的动力。“整件事始于一项合作，其目标是在坠落塔设施中进行实验，”她回忆说。“但长期的目标始终是进入太空。”从近150米高的塔上掉落超冷原子，使科学家获得了几秒钟的微重力时间。MAIUS-1火箭将这一时间延长到了近六分钟。
弗吉尼亚大学的物理学家卡斯·萨克特（他没有参与这项研究）说：“微重力确实是你想要的环境。” “我预计随着时间的推移，我们将看到太空中的原子干涉仪比地面上的任何干涉仪都要好。” 事实上，2018年美国宇航局将一项超冷原子实验送入了太空。此后，美国宇航局的冷原子实验室（CAL）一直在国际空间站（ISS）上冷却原子。
CAL在微重力下为科学家创造可供研究的量子态的能力吸引了许多物理学家，包括萨克特。曾担任CAL项目经理的前五年发展阶段，但没有参与这项新研究的航空航天工程师阿妮塔·森古普塔也表达了同样的观点。“我开展这项任务的个人动力是设计一个设施来探索BEC的基本物理学，打开通往量子世界的新大门，”她说。森古普塔补充说，使用CAL的研究人员最近也进行了与MAIUS-1团队的工作类似的原子干涉测量实验。
冷原子的炫酷应用
无论使用哪种特定的太空平台，原子干涉测量的一个共同研究目标是测试基本原理，即所有成分的物体在引力作用下以相同的速率下落。根据拉赫曼的说法，使用不同元素的原子批次多次进行MAIUS-1物质波干涉实验，将以空前的精度测试这个想法。在不太可能的情况下，引力对一组原子的移动超过了另一组原子，那么它们的两个条纹图案将明显不同。
原子干涉测量提供的极端精度也带来了一个很小的可能性，即可以通过该技术发现奇异力的迹象，也许是与某些暗能量模型相关的力。
像MAIUS-1芯片这样的设备，一个更直接和实际的应用可能会出现在天体导航中。由于BEC干涉图案对重力中即使是最小的波动也极其敏感，它们可以用来绘制重力场的细节。类似于水下洋流图帮助船舶导航的方式，这些重力场图可能对微调航天器的深空机动有用。
在其任务期间，MAIUS-1团队已经取得了几项技术进步。科学家的实验适合在单个坚固的芯片上进行，而不是像大多数地面实验室中的那样布置在大型桌子上——因为它必须在火箭颠簸地穿过地球大气层时幸存下来。此外，研究人员在火箭发射后无法与火箭进行通信，因此自主系统对原子进行冷却、操纵和成像。未来，他们希望为火箭配备常用的导航传感器，并将这些传感器的性能与他们芯片的性能进行比较。
目前，美国宇航局和MAIUS-1的科学家正在合作开发未来安装在国际空间站CAL上的升级产品，这将为微重力实验提供更多选择，包括使用具有磁自旋或彼此强烈相互作用的原子。研究人员结合他们试图将原子从引力中摆脱出来的经验，希望在太空中将基础物理置于更强大的放大镜下。