日本化學(xué)學(xué)家在“失重條件”下檢測并比較了兩個原子的重力加速度，檢驗自由落體定理。相關(guān)技術(shù)可用于更有力的空間實驗，并可能促使新型助航設(shè)備的發(fā)展。
撰文Edwin
翻譯訪冬
上天：高空自由落體實驗就在圖中這架“zero-G”號客機上進行
近來，日本化學(xué)學(xué)家在“失重條件”下進行實驗，檢測并比較兩個不同原子的重力加速度。該實驗在航天客機上進行，通過特殊的飛行方法模擬失重狀態(tài)。其實這一實驗的精準(zhǔn)度遠(yuǎn)不足以檢驗自由落體定理（在給定的重力場中，真空中的所有物體以相同速率下落），不過相關(guān)技術(shù)可用于更有力的空間實驗，并可能促使新型助航設(shè)備的發(fā)展。
自由落體定理是愛因斯坦廣義相對論的核心——等效原理——的結(jié)果。該定理強調(diào)，物體的慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等，也就是說在重力場中，物體的加速度與其質(zhì)量無關(guān)。為此，質(zhì)量不同的兩個物體具有同樣的加速度。
自伽利略的漢堡斜塔實驗起，這一定律己歷經(jīng)多次高精度檢驗，屢試不爽。迄今為止最精確的檢驗當(dāng)屬芝加哥學(xué)院的研究人員在2008年舉辦的實驗，檢測精度高達(dá)10-13！
太空“顯微鏡”
但化學(xué)學(xué)家希望才能把實驗精度再提升100倍以上。由于一些趕超標(biāo)準(zhǔn)模型（Model）的理論預(yù)言，在這一尺度上，自由落體定理將不再嚴(yán)格創(chuàng)立。因此，美國國家太空研究中心早已在繞地軌道上舉辦了“顯微鏡”衛(wèi)星項目，用于檢驗等效原理。因為繞地軌道衛(wèi)星上重力為零，衛(wèi)星中物體的自由下落時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于月球上的物體，因而，該項目的檢測精度高達(dá)10-15。豁達(dá)恐怕該項目將在今年初得到首個重大結(jié)果。
與芝加哥學(xué)院的實驗類似，“顯微鏡”項目主要研究“經(jīng)典物體”的自由落體運動。而近來，美國梅多克LP2N實驗室的、以及她們的朋友則打起了“量子物體”的主意：借助銣-87和鉀-39原子進行實驗。原子系統(tǒng)的優(yōu)點包括不會被雜質(zhì)污染、可控性強——能夠通過改變原子的載流子等性質(zhì)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(zhì)波分束器擊打原子，使原子的波包分裂，同時順著兩個互相垂直的路徑前進。在路徑末端，兩種態(tài)互相干涉，產(chǎn)生干涉白色。通過比較兩種原子干涉白色的位置，研究人員可以了解它們的相對相移（物質(zhì)波的末態(tài)相對初態(tài)的相位聯(lián)通）是否相同。假如不同，則說明兩者的加速度存在微小的差別。
拋物線軌跡
化學(xué)學(xué)家之前借助冷原子干涉儀對自由落體定理進行了檢驗，精確度達(dá)到了10-8，但這種實驗都在地面上進行。她們終極目標(biāo)是步入太空，在失重條件下檢驗自由落體定理。Bouye和他的朋友們盡管沒能實現(xiàn)終極目標(biāo)，但她們找到了一種代替形式，借助專門加裝的空客客機模擬接近零重力的狀態(tài)進行實驗。這架"zero-G"號客機先以45度角爬升伽利略自由落體實驗，抵達(dá)一定高度后，動力被調(diào)整至正好抵消空氣阻力，隨即進行大概20秒的自由落體運動。在重力作用下伽利略自由落體實驗，客機的軌跡劃出一條拋物線。客機在穩(wěn)定后再度爬升、下降，不斷重復(fù)這一過程。今年，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，她們耗費了將近10年，不厭其煩地在喧鬧的客機環(huán)境中調(diào)試復(fù)雜精密的儀器，不曉得經(jīng)歷了多少次郁悶的“拋物線”飛行。
太空也適用
表示，這項研究有賴于大量技術(shù)創(chuàng)新來增加客機上高達(dá)0.01g的振動以及客機在拋物線飛行中的高速旋轉(zhuǎn)（約每分鐘一圈）帶來的影響。即使實驗精度只有3×10-4，但其重要意義在于證明該實驗裝置在太空實驗中同樣適用。他還預(yù)測道，“未來幾年，好多實驗都可以用到我們開發(fā)的技術(shù)。”
該團隊的下一步工作是在今年初進行新的測試，企圖證明單原子可以用于“慣性”導(dǎo)航，這須要對物體的加速度和旋轉(zhuǎn)進行持續(xù)檢測。除此以外，團隊的一些成員還在STE-QUEST項目（Space-TimeandSpaceTest，時空探求者和量子等效原理空間檢驗）中進行干涉儀技術(shù)開發(fā)。不過表示，這顆價值約5億美元的衛(wèi)星最早也要2025年才會發(fā)射升空。
路漫漫其修遠(yuǎn)。