8500米高空的量子自由落体

上传 / 管理员 ·2016-12-22 物理学,量子力学

论文标题 / Dual matter-wave inertial sensors in weightlessness

作者 / Brynle Barrett et al.

期刊 / Nature Communications

发表时间 / 2016-12-12

数字识别码 / 10.1038/ncomms13786

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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

【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 (10−2 g Hz−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.

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匿名
精确度越来越高,期待~

2016-12-27 13:58:09

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