華裔女科學(xué)家找到了精確測(cè)量重力的新方法

（文章來源：中關(guān)村在線）

科學(xué)家們找到了新方法來通過激光、原子來測(cè)量重力。這種辦法精度極高，甚至能測(cè)量你的微小體重對(duì)重力的影響。新方法甚至可以捕獲單個(gè)原子長(zhǎng)達(dá)20秒！

過觀察原子懸浮在空中而不是自由落體時(shí)的行為，物理學(xué)家們找到了一種測(cè)量地球引力的新方法。傳統(tǒng)上，科學(xué)家們通過跟蹤原子滾落到很高的管道槽的速度來衡量重力對(duì)原子的影響。這樣的實(shí)驗(yàn)可以幫助測(cè)試愛因斯坦的重力理論，并精確測(cè)量基本常數(shù)。

但是，自由落體實(shí)驗(yàn)中使用的幾米長(zhǎng)的管道體積大，很笨拙，難以屏蔽諸如雜散磁場(chǎng)等環(huán)境干擾。通過新的桌面設(shè)置，物理學(xué)家可以通過監(jiān)視被激光懸浮在空中幾毫米的原子，來衡量地球重力的強(qiáng)度。 11月8日的《科學(xué)》雜志對(duì)測(cè)量方法進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，可以更好地探測(cè)小物體施加的重力。

該技術(shù)還可用于測(cè)量世界不同地方的輕微重力變化，這可能有助于繪制海底圖或?qū)ふ业叵率秃偷V物。加州大學(xué)伯克利分校的物理學(xué)家Victoria Xu（華裔，有照片，不知中文名）和他的同事首先將銫原子云發(fā)射到空氣中，然后使用閃光燈將每個(gè)原子分裂為疊加狀態(tài)。在這個(gè)奇怪的量子邊緣狀態(tài)中，每個(gè)原子同時(shí)存在于兩個(gè)地方：一個(gè)原子的形式比另一個(gè)原子高出幾微米。然后，徐的團(tuán)隊(duì)利用激光發(fā)出的光將這些分裂的銫原子捕獲在空中。

使用固定的原子來測(cè)量引力強(qiáng)度，而不是被引力場(chǎng)向下拉，需要利用原子的波粒二象性。這種量子效應(yīng)意味著，就像光波可以像被稱為光子的粒子一樣起作用，原子也可以像波一樣起作用。而且，對(duì)于每個(gè)被疊加的銫原子，由于原子在地球引力場(chǎng)中的位置略有不同，因此更高能的原子波起伏要快于其較能版本的波。通過跟蹤兩個(gè)版本的原子的波度不同步的速度，物理學(xué)家可以計(jì)算出該點(diǎn)地球重力的強(qiáng)度。

麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家艾倫·賈米森（Alan Jamison）說：“非常令人印象深刻?！睂?duì)他來說，這項(xiàng)新技術(shù)的一大希望就是可以實(shí)現(xiàn)更加可控的測(cè)量。他說：“過去進(jìn)行這些跌落實(shí)驗(yàn)是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)，在要用到一個(gè)10米長(zhǎng)的塔，磁場(chǎng)很難屏蔽，周圍的環(huán)境都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，比如建筑物中的所有電氣系統(tǒng)等等。這個(gè)試驗(yàn)裝置更小，可以更容易的屏蔽干擾?！?/p>

研究合著者Holger Müller說，更緊湊的設(shè)備也可以測(cè)量短程重力效應(yīng)?！凹僭O(shè)您不想測(cè)量整個(gè)地球的重力，但是您想要測(cè)量小物體的重力。” “我們只需要把大理石靠近我們的原子。相比之下，在傳統(tǒng)的自由落體裝置中，原子很快到達(dá)大理石，這樣得到的信息就要少很多?！庇?guó)伯明翰大學(xué)的物理學(xué)家凱邦斯想象使用新型原子重力儀來研究暗物質(zhì)的性質(zhì)或測(cè)試愛因斯坦引力理論的等效原理?，F(xiàn)在物理學(xué)上的很多統(tǒng)一理論需要調(diào)合，因?yàn)樗鼈兣c愛因斯坦的引力理論是不相容的，它們?cè)谀撤N程度上違反了等效原理。“因此，尋找反常行為或許會(huì)指引我們找到最終的統(tǒng)一理論，這是物理學(xué)上的圣杯之一。”

為了測(cè)量重力，物理學(xué)家將原子分裂成一個(gè)奇怪的量子態(tài)，稱為疊加。這時(shí)候一個(gè)原子同時(shí)存在兩種狀態(tài)版本：一個(gè)版本比另一個(gè)版本高（在此圖中，藍(lán)色點(diǎn)代表同時(shí)存在兩個(gè)版本的原子，它們由由垂直的黃色譜帶相連），雖然反直覺，但量子物理就這樣。 研究人員使用激光（水平藍(lán)帶）將這些原子捕獲在空中。 在光的捕捉下，單個(gè)原子的每個(gè)版本在地球引力場(chǎng)中的位置不同，其行為也略有不同。 測(cè)量這些差異可以使物理學(xué)家確定該位置的地球重力強(qiáng)度。
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