用原子喷泉测量时空的曲率

　　爱因斯坦的广义相对论认为，大质量物体会导致时空扭曲，而引力就是这种扭曲的体现。图片是黑洞碰撞时引力波的艺术想象图，两颗黑洞搅起了时空的涟漪。图片来源：LIGO/T.Pyle
　　1797年，英国科学家Henry Cavendish用铅球、木棒和金属丝织成的扭秤装置测量了引力的强度。在21世纪，科学家正在用更复杂的工具——原子——做非常相似的事情。
　　就算在物理学的入门课程里，引力也是早期课程，但这并不意味着科学家不会继续提高引力测量的精度。快速移动或强大的引力可以减缓时间流逝的速度，而现在，一个物理学家团队利用这种效应测量引力。在一篇近日发表于《科学》的论文中，研究人员宣布他们已经以此测量时空的曲率。
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　　该实验属于原子干涉测量学，该学科利用量子力学原理的优势：正如光可以用粒子描述一样，一个粒子（比如原子）同时也能被表示为＂波包＂。正如广播可以重叠并干涉一样，物质波包也可以重叠或干涉。
　　特别是，如果一个原子的波包被一分为二，两者经历不同的过程，再将两者重新组合，就能发现两个波包对不齐了。换句话说，两者的相位已经变了。
　　＂人们试图从相移中提取有用的信息，＂德国乌尔姆量子技术研究所的物理学家Albert Roura在采访中说道。关于这项研究，他同时在《科学》杂志网站上发表了一篇＂观点＂文章。
　　引力波探测器的工作原理与此类似。用这种方法研究粒子，科学家能精确确定那些在表象背后支配整个宇宙的关键数字，比如电子是如何运作的，引力有多强，以及他们在短距离上的细微变化。
　　这是斯坦福大学的Chris Overstreet和他的同事在这项新研究中测量的最后一个效应。为了做到这一点，他们创造了一个＂原子喷泉＂，由一个10米高的真空管组成，真空管顶部有一个环。
　　研究人员通过发射激光脉冲来控制原子喷泉。他们用一次激光脉冲从底部向上发射两个原子。这两个原子在被第二束激光击落前，抵达了不同的高度。当它们落到底部时，第三束脉冲会捕捉两者，将它们的波包重叠到一起。
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　　研究人员发现这两个波包的相位不一致，这表明原子喷泉中的引力场并不完全一致。
　　＂这……在广义相对论中，实际上可以理解为时空曲率的影响。＂Roura在采访中说。广义相对论是爱因斯坦最著名的理论之一。
　　因为更高的原子离环更近，由于环的引力，它承受了更多引力加速。在完全均匀的引力场中，两个原子的变化程度应该是一样的。而在原子喷泉中，两个原子由于不同的引力影响，时间膨胀并不同步，它们波包的相位也是不同步的。
　　这仅仅导致很微弱的变化，不过原子干涉法足够灵敏，可以检测到它。科学家可以控制环的位置和质量，Roura 表示：＂他们可以测量和研究这些效应。＂
　　研究人员表示，尽管促成这一切成果的原子干涉测量法看起来很神秘，但有朝一日，它可能被用于探测引力波，还能实现比GPS精度更高的导航系统。
　　撰文：Rahul Rao
　　翻译：王昱
　　审校：李诗源
　　引进来源：科学美国人
　　本文来自：中国数字科技馆