8500米高空的量子自由落体 | Nature communication论文推荐

法国物理学家在“失重条件”下测量并比较了两个原子的重力加速度，检验自由落体定律。相关技术可用于更有力的空间实验，并可能促进新型助航设备的发展。

撰文 Edwin Cartlidge

翻译 访冬

上天：高空自由落体实验就在图中这架“ zero-G ”号飞机上进行

最近，法国物理学家在“失重条件”下进行实验，测量并比较两个不同原子的重力加速度。该实验在航天飞机上进行，通过特殊的飞行方式模拟失重状态。虽然这一实验的精准度远不足以检验自由落体定律（在给定的重力场中，真空中的所有物体以相同速度下落），不过相关技术可用于更有力的空间实验，并可能促进新型助航设备的发展。

自由落体定律是爱因斯坦广义相对论的核心——等效原理——的结果。该定律指出，物体的惯性质量与引力质量相等，也就是说在重力场中，物体的加速度与其质量无关。因此，质量不同的两个物体具有同样的加速度。

自伽利略的比萨斜塔实验起，这一定律已历经多次高精度检验，屡试不爽。迄今为止最精确的检验当属华盛顿大学的研究人员在2008年开展的实验，测量精度高达10^-13！

太空“显微镜”

但物理学家希望能够把实验精度再提高 100 倍以上。因为一些超越标准模型（Beyond Standard Model）的理论预言，在这一尺度上，自由落体定律将不再严格成立。为此，法国国家太空研究中心已经在绕地轨道上开展了“显微镜”卫星项目，用于检验等效原理。由于绕地轨道卫星上重力为零，卫星中物体的自由下落时间远远长于地球上的物体，因此，该项目的测量精度高达 10^-15。乐观估计该项目将在明年初得到首个重大结果。

与华盛顿大学的实验类似，“显微镜”项目主要研究“经典物体”的自由落体运动。而最近，法国波尔多 LP2N 实验室的 Philippe Bouyer 、Brynle Barrett 以及他们的同事则打起了“量子物体”的主意：利用铷-87和钾-39原子进行实验。原子系统的优点包括不会被杂质污染、可控性强——能够通过改变原子的自旋等性质对等效原理进行检验。

来自激光的一击

研究人员让铷原子和钾原子自由下落，过程中用激光作为物质波分束器击打原子，使原子的波包分裂，同时沿着两个相互垂直的路径前进。在路径末端，两种态相互干涉，形成干涉条纹。通过比较两种原子干涉条纹的位置，研究人员可以了解它们的相对相移（物质波的末态相对初态的相位移动）是否相同。如果不同，则说明二者的加速度存在微小的差异。

抛物线轨迹

物理学家之前利用冷原子干涉仪对自由落体定律进行了检验，精确度达到了10^-8，但这些实验都在地面上进行。他们终极目标是进入太空，在失重条件下检验自由落体定律。Bouye 和他的同事们虽然没能实现终极目标，但他们找到了一种替代方式，利用专门改装的空客飞机模拟接近零重力的状态进行实验。这架" zero-G "号飞机先以 45 度角爬升，到达一定高度后，动力被调整至刚好抵消空气阻力，随后进行大约 20 秒的自由落体运动。在重力作用下，飞机的轨迹划出一条抛物线。飞机在稳定后再次爬升、下降，不断重复这一过程。去年，Bouye 的研究团队在六次飞行中比较了两种原子的自由下落行为。

此前，他们花费了将近 10 年，不厌其烦地在嘈杂的飞机环境中调试复杂精密的仪器，不知道经历了多少次闹心的“抛物线”飞行。

太空也适用

Barrett 表示，这项研究有赖于大量技术创新来降低飞机上高达 0.01 g 的震动以及飞机在抛物线飞行中的高速旋转（约每分钟一圈）带来的影响。虽然实验精度只有3 ×10^-4，但其重要意义在于证明该实验装置在太空实验中同样适用。他还预测道，“未来几年，很多实验都可以用到我们开发的技术。”

该团队的下一步工作是在明年初进行新的测试，试图证明单原子可以用于“惯性”导航，这需要对物体的加速度和旋转进行持续监测。除此以外，团队的一些成员还在 STE-QUEST 项目（Space-Time Explorer and QUantum Equivalence Principle Space Test ，时空探索者和量子等效原理空间检验）中进行干涉仪技术开发。不过 Bouyer 表示，这颗价值约 5 亿欧元的卫星最早也要 2025 年才能发射升空。

路漫漫其修远。

文章来源：

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

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论文基本信息

【题目】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 simultaneous ⁸⁷Rb–³⁹K interferometers 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 Eötvös parameter with systematic-limited uncertainties of 1.1 × 10⁻³ and 3.0 ×10⁻⁴ during 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.

【论文链接】http://www.nature.com/articles/ncomms13786

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