自由落体原子为引力强度测试提供新方法

新技术有望更清晰地观察最弱的力

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一项新技术可能使研究人员能够更精确地掌握引力的内在强度,引力与其他力相比非常微弱,以至于其特征很容易在实验室中被淹没。物理学家们制造了一种传感器,可以将原子踢入自由落体状态,从而探测到微妙的量子变化,这些变化可以精确地揭示引力的强度,即G

科罗拉多大学的实验物理学家詹姆斯·法勒(James Faller)表示,尽管近年来,这类实验已成为一种流行趋势,用于检验那些假设引力泄漏到未被看见的巨大额外空间维度的理论,但测量G的真正价值可能更为平淡。法勒说:“这有点像是测量科学的智力俯卧撑。” 他说,通过学习探测引力,物理学家们可能会更好地测量其他具有更大科学或技术价值的效果。

斯坦福大学的新报告的主要作者马克·卡塞维奇(Mark Kasevich)说,新的测量方法仍然比其他一些测量引力强度的方法(例如用细纤维悬挂质量)精确度低约100倍。但是研究人员表示,如果他们能够提高其精度,那么这项测试就可以增加其他方法结果的可靠性,可以这么说。“如果你开始得到与[其他小组]相同的答案,那么你就会有种感觉,你开始比以前更好地理解自然。”


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任何两个物体之间都会相互施加引力,这取决于它们的质量、它们之间的距离以及所谓的引力常数G。如果G发生任何变化,那就意味着引力的强度发生了变化,但到目前为止,无论物体之间的距离如何,该常数都已被证明是坚定不移的。

为了获得对G的新认识,卡塞维奇和他的同事使用了一种称为原子干涉法的技术。他们将超冷铯原子蒸气放置在540公斤铅堆下方的真空室中,铅堆施加了强大的引力,然后用激光束照射蒸气。受激光束的冲击,原子向上飞起,然后像喷泉一样落回。

研究小组调整了激光,使其也将原子置于量子态或叠加态,从而使喷泉同时达到两个不同的高度。这两个高度之间的精确差异取决于作用在原子上的引力强度。

研究人员无法直接测量这种差异——事实上,如果测量了,由于量子怪异性,它将不复存在。但是他们可以利用这样一个事实,即两条轨迹上的原子会相互干涉,就像光波或声波一样。

当原子完成下降时,该小组测量了它们处于两种状态之一的概率,而这——至关重要的是——取决于它们经历的干涉量。

为了控制各种误差来源,例如地球引力和房间内的振动,他们在另一个放置在铅堆质量上方的真空室中进行了同步测量,并在测试之间上下移动铅堆。

该小组在本周的《科学》杂志上报告说,由此产生的G值应该精确到百分之几十分之一以内。

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