1797年，英国科学家亨利·卡文迪许用铅球、木杆和金属丝制成的装置测量了重力的强度。在21世纪，科学家们正在用更精密的工具做着非常相似的事情：原子。
重力可能是物理学入门课程中的早期主题，但这并不意味着科学家们没有仍在尝试以越来越高的精度来测量它。现在，一群物理学家已经使用时间膨胀——由速度增加或引力引起的时钟变慢——对原子的影响做到了这一点。在1月13日在线发表在《科学》杂志上的一篇论文中，研究人员宣布他们已经能够测量时空曲率。
这项实验是称为原子干涉学科学领域的一部分。它利用了量子力学的一个原理：正如光波可以表示为粒子一样，粒子（例如原子）也可以表示为“波包”。正如光波可以重叠并产生干涉一样，物质波包也可以。
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特别是，如果原子的波包被分成两部分，允许进行某些操作，然后重新组合，那么波可能不再对齐——换句话说，它们的相位发生了变化。
德国乌尔姆量子技术研究所的物理学家阿尔伯特·鲁拉告诉 Space.com：“人们试图从这种相移中提取有用的信息。”鲁拉没有参与这项新研究。他撰写了一篇“观点”文章，评论这项新研究，该文章于今天在同一期的《科学》杂志在线发表。
引力波探测器的工作原理与此类似。通过以这种方式研究粒子，科学家可以微调宇宙一些关键运作背后的数字，例如电子的行为方式以及重力的真实强度——以及它如何在相对较小的距离上微妙地变化。
斯坦福大学的克里斯·奥弗斯特里特和他的同事在这项新研究中测量的就是最后一种效应。为了做到这一点，他们创造了一个“原子喷泉”，它由一个33英尺（10米）高的真空管组成，顶部环绕着一个环。
研究人员通过向原子喷泉发射激光脉冲来控制它。通过一个脉冲，他们从底部向上发射了两个原子。这两个原子到达不同的高度，然后第二个脉冲将它们击落。第三个脉冲在底部捕获原子，重新组合原子的波包。
研究人员发现，这两个波包是异相的——这表明原子喷泉中的引力场不是完全均匀的。
“这……在广义相对论中，实际上可以理解为时空曲率的影响，”鲁拉告诉 Space.com，他指的是阿尔伯特·爱因斯坦最著名的理论之一。
由于较高的原子更靠近环，因此由于环的重力，它经历了更大的加速度。在完全均匀的引力场中，这种效应会相互抵消。但这里的情况并非如此；原子的波包反而是异相的，并且由于时间膨胀效应，经历更大加速度的原子与其对应物的时间略有不同步。
结果是一个微小的变化，但原子干涉学足够灵敏，可以检测到它。鲁拉告诉 Space.com，由于科学家可以控制环的位置和质量，“他们能够测量和研究这些效应。”
尽管这项发现背后的技术——原子干涉学——可能看起来很神秘，但研究人员表示，原子干涉学有一天可能会被用于探测引力波，并帮助我们比 GPS 更好地导航。
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