8500米高空的量子自由落體

法國物理學家在「失重條件」下測量並比較了兩個原子的重力加速度，檢驗自由落體定律。相關技術可用於更有力的空間實驗，並可能促進新型助航設備的發展。

撰文 Edwin Cartlidge

翻譯 訪冬

上天：高空自由落體實驗就在圖中這架「 zero-G 」號飛機上進行

最近，法國物理學家在「失重條件」下進行實驗，測量並比較兩個不同原子的重力加速度。該實驗在太空梭上進行，通過特殊的飛行方式模擬失重狀態。雖然這一實驗的精準度遠不足以檢驗自由落體定律（在給定的重力場中，真空中的所有物體以相同速度下落），不過相關技術可用於更有力的空間實驗，並可能促進新型助航設備的發展。

自由落體定律是愛因斯坦廣義相對論的核心——等效原理——的結果。該定律指出，物體的慣性質量與引力質量相等，也就是說在重力場中，物體的加速度與其質量無關。因此，質量不同的兩個物體具有同樣的加速度。

自伽利略的比薩斜塔實驗起，這一定律已歷經多次高精度檢驗，屢試不爽。迄今為止最精確的檢驗當屬華盛頓大學的研究人員在2008年開展的實驗，測量精度高達10-13！

太空「顯微鏡」

但物理學家希望能夠把實驗精度再提高 100 倍以上。因為一些超越標準模型（Beyond Standard Model）的理論預言，在這一尺度上，自由落體定律將不再嚴格成立。為此，法國國家太空研究中心已經在繞地軌道上開展了「顯微鏡」衛星項目，用於檢驗等效原理。由於繞地軌道衛星上重力為零，衛星中物體的自由下落時間遠遠長於地球上的物體，因此，該項目的測量精度高達10-15。樂觀估計該項目將在明年初得到首個重大結果。

與華盛頓大學的實驗類似，「顯微鏡」項目主要研究「經典物體」的自由落體運動。而最近，法國波爾多 LP2N 實驗室的 Philippe Bouyer 、Brynle Barrett 以及他們的同事則打起了「量子物體」的主意：利用銣-87和鉀-39原子進行實驗。原子系統的優點包括不會被雜質污染、可控性強——能夠通過改變原子的自旋等性質對等效原理進行檢驗。

來自激光的一擊

研究人員讓銣原子和鉀原子自由下落，過程中用激光作為物質波分束器擊打原子，使原子的波包分裂，同時沿著兩個相互垂直的路徑前進。在路徑末端，兩種態相互干涉，形成干涉條紋。通過比較兩種原子干涉條紋的位置，研究人員可以了解它們的相對相移（物質波的末態相對初態的相位移動）是否相同。如果不同，則說明二者的加速度存在微小的差異。

拋物線軌跡

物理學家之前利用冷原子干涉儀對自由落體定律進行了檢驗，精確度達到了10-8，但這些實驗都在地面上進行。他們終極目標是進入太空，在失重條件下檢驗自由落體定律。Bouye 和他的同事們雖然沒能實現終極目標，但他們找到了一種替代方式，利用專門改裝的空客飛機模擬接近零重力的狀態進行實驗。這架" zero-G "號飛機先以 45 度角爬升，到達一定高度後，動力被調整至剛好抵消空氣阻力，隨後進行大約 20 秒的自由落體運動。在重力作用下，飛機的軌跡划出一條拋物線。飛機在穩定後再次爬升、下降，不斷重複這一過程。去年，Bouye 的研究團隊在六次飛行中比較了兩種原子的自由下落行為。

此前，他們花費了將近 10 年，不厭其煩地在嘈雜的飛機環境中調試複雜精密的儀器，不知道經歷了多少次鬧心的「拋物線」飛行。

太空也適用

Barrett 表示，這項研究有賴於大量技術創新來降低飛機上高達 0.01 g 的震動以及飛機在拋物線飛行中的高速旋轉（約每分鐘一圈）帶來的影響。雖然實驗精度只有3 ×10-4，但其重要意義在於證明該實驗裝置在太空實驗中同樣適用。他還預測道，「未來幾年，很多實驗都可以用到我們開發的技術。」

該團隊的下一步工作是在明年初進行新的測試，試圖證明單原子可以用於「慣性」導航，這需要對物體的加速度和旋轉進行持續監測。除此以外，團隊的一些成員還在 STE-QUEST 項目（Space-Time Explorer and QUantum Equivalence Principle Space Test ，時空探索者和量子等效原理空間檢驗）中進行干涉儀技術開發。不過 Bouyer 表示，這顆價值約 5 億歐元的衛星最早也要 2025 年才能發射升空。

路漫漫其修遠。

文章來源：

http://physicsworld.com/cws/article/news/2016/dec/13/quantum-free-fall-at-8500-m

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（需要登陸喲）

網址 http://www.keyanquan.net/thesis/detail/461

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論文基本信息

【題目】Dual matter-wave inertial sensors in weightlessness

【作者】Brynle Barrett, Laura Antoni-Micollier, Laure Chichet, Baptiste Battelier, Thomas Lévèque, Arnaud Landragin & Philippe Bouyer

【期刊】Nature Communications

【日期】12 December 2016

【DOI】10.1038/ncomms13786

【摘要】Quantum technology based on cold-atom interferometers is showing great promise for fields such as inertial sensing and fundamental physics. However, the finite free-fall time of the atoms limits the precision achievable on Earth, while in space interrogation times of many seconds will lead to unprecedented sensitivity. Here we realize simultaneous87Rb–39Kinterferometers capable of operating in the weightless environment produced during parabolic flight. Large vibration levels (10?2gHz?1/2), variations in acceleration (0–1.8?g) and rotation rates (5°s?1) onboard the aircraft present significant challenges. We demonstrate the capability of our correlated quantum system by measuring the E?tv?s parameter with systematic-limited uncertainties of 1.1 ×10?3and 3.0 ×10?4during standard- and microgravity, respectively. This constitutes a fundamental test of the equivalence principle using quantum sensors in a free-falling vehicle. Our results are applicable to inertial navigation, and can be extended to the trajectory of a satellite for future space missions.

【論文鏈接】http://www.nature.com/articles/ncomms13786