华裔女科学家找到新方法精确测量重力

地矿科技助理

近日，《科学》杂志发表新的论文，科学家们找到了新方法来通过激光、原子来测量重力。这种办法精度极高，甚至能测量你的微小体重对重力的影响。新方法甚至可以捕获单个原子长达20秒！

测量重力的实验装置 图：Victoria Xu

过观察原子悬浮在空中而不是自由落体时的行为，物理学家们找到了一种测量地球引力的新方法。传统上，科学家们通过跟踪原子滚落到很高的管道槽的速度来衡量重力对原子的影响。这样的实验可以帮助测试爱因斯坦的重力理论，并精确测量基本常数。

但是，自由落体实验中使用的几米长的管道体积大，很笨拙，难以屏蔽诸如杂散磁场等环境干扰。通过新的桌面设置，物理学家可以通过监视被激光悬浮在空中几毫米的原子，来衡量地球重力的强度。 11月8日的《科学》杂志对测量方法进行了重新设计，可以更好地探测小物体施加的重力。

加州大学伯克利分校的华裔物理学家Victoria Xu 图：BAMPFA

该技术还可用于测量世界不同地方的轻微重力变化，这可能有助于绘制海底图或寻找地下石油和矿物。加州大学伯克利分校的物理学家Victoria Xu（华裔，有照片，不知中文名）和他的同事首先将铯原子云发射到空气中，然后使用闪光灯将每个原子分裂为叠加状态。在这个奇怪的量子边缘状态中，每个原子同时存在于两个地方：一个原子的形式比另一个原子高出几微米。然后，徐的团队利用激光发出的光将这些分裂的铯原子捕获在空中。

使用固定的原子来测量引力强度，而不是被引力场向下拉，需要利用原子的波粒二象性。这种量子效应意味着，就像光波可以像被称为光子的粒子一样起作用，原子也可以像波一样起作用。而且，对于每个被叠加的铯原子，由于原子在地球引力场中的位置略有不同，因此更高能的原子波起伏要快于其较能版本的波。通过跟踪两个版本的原子的波度不同步的速度，物理学家可以计算出该点地球重力的强度。

麻省理工学院的物理学家艾伦·贾米森（Alan Jamison）说：“非常令人印象深刻。”对他来说，这项新技术的一大希望就是可以实现更加可控的测量。他说：“过去进行这些跌落实验是一个很大的挑战，在要用到一个10米长的塔，磁场很难屏蔽，周围的环境都会产生磁场，比如建筑物中的所有电气系统等等。这个试验装置更小，可以更容易的屏蔽干扰。”

研究合著者Holger Müller说，更紧凑的设备也可以测量短程重力效应。“假设您不想测量整个地球的重力，但是您想要测量小物体（例如大理石，甚至一个人）的重力。” “我们只需要把大理石靠近我们的原子。相比之下，在传统的自由落体装置中，原子很快（接近毫秒）到达大理石，这样得到的信息就要少很多。”英国伯明翰大学的物理学家凯邦斯（Kai Bongs）想象使用新型原子重力仪来研究暗物质的性质或测试爱因斯坦引力理论的等效原理。现在物理学上的很多统一理论需要调合，因为它们与爱因斯坦的引力理论是不相容的，它们在某种程度上违反了等效原理。“因此，寻找反常行为或许会指引我们找到最终的统一理论，这是物理学上的圣杯之一。”

实验方法简介 图：Sarah Davids

为了测量重力，物理学家将原子分裂成一个奇怪的量子态，称为叠加。这时候一个原子同时存在两种状态版本：一个版本比另一个版本高（在此图中，蓝色点代表同时存在两个版本的原子，它们由由垂直的黄色谱带相连），虽然反直觉，但量子物理就这样。 研究人员使用激光（水平蓝带）将这些原子捕获在空中。 在光的捕捉下，单个原子的每个版本在地球引力场中的位置不同，其行为也略有不同。 测量这些差异可以使物理学家确定该位置的地球重力强度。