【儀表網(wǎng) 儀表人物】近日，《科學(xué)》雜志發(fā)表新的論文，科學(xué)家們找到了新方法來通過激光、原子來測量重力。這種辦法精度極高，甚至能測量你的微小體重對重力的影響。新方法甚至可以捕獲單個(gè)原子長達(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原子的影響。這樣的實(shí)驗(yàn)可以幫助測試愛因斯坦的重力理論，并精確測量基本常數(shù)。
 

　　但是，自由落體實(shí)驗(yàn)中使用的幾米長的管道體積大，很笨拙，難以屏蔽諸如雜散磁場等環(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)》雜志對測量方法進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，可以更好地探測小物體施加的重力。
 

加州大學(xué)伯克利分校的華裔物理學(xué)家Victoria Xu
 

　　該技術(shù)還可用于測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量引力強(qiáng)度，而不是被引力場向下拉，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，對于每個(gè)被疊加的銫原子，由于原子在地球引力場中的位置略有不同，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。”對他來說，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米長的塔，磁場很難屏蔽，周圍的環(huán)境都會(huì)產(chǎn)生磁場，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。”
 

　　研究合著者Holger Müller說，更緊湊的設(shè)備也可以測量短程重力效應(yīng)。“假設(shè)您不想測量整個(gè)地球的重力，但是您想要測量小物體(例如大理石，甚至一個(gè)人)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(接近毫秒)到達(dá)大理石，這樣得到的信息就要少很多。”英國伯明翰大學(xué)的物理學(xué)家凱邦斯(Kai Bongs)想象使用新型原子重力儀來研究暗物質(zhì)的性質(zhì)或測試愛因斯坦引力理論的等效原理。現(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，它們在某種程度上違反了等效原理。“因此，尋找反常行為或許會(huì)指引我們找到終的統(tǒng)一理論，這是物理學(xué)上的圣杯之一。”
 

　　為了測量重力，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)版本在地球引力場中的位置不同，其行為也略有不同。測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。