日本化學(xué)學(xué)家在“失重條件”下檢測(cè)并比較了兩個(gè)原子的重力加速度，檢驗(yàn)自由落體定理。相關(guān)技術(shù)可用于更有力的空間實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)就在圖中這架“zero-G”號(hào)客機(jī)上進(jìn)行
近來(lái)，日本化學(xué)學(xué)家在“失重條件”下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)并比較兩個(gè)不同原子的重力加速度。該實(shí)驗(yàn)在航天客機(jī)上進(jìn)行，通過(guò)特殊的飛行方法模擬失重狀態(tài)。其實(shí)這一實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)度遠(yuǎn)不足以檢驗(yàn)自由落體定理（在給定的重力場(chǎng)中，真空中的所有物體以相同速率下落），不過(guò)相關(guān)技術(shù)可用于更有力的空間實(shí)驗(yàn)，并可能促使新型助航設(shè)備的發(fā)展。
自由落體定理是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的核心——等效原理——的結(jié)果。該定理強(qiáng)調(diào)，物體的慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等，也就是說(shuō)在重力場(chǎng)中，物體的加速度與其質(zhì)量無(wú)關(guān)。為此，質(zhì)量不同的兩個(gè)物體具有同樣的加速度。
自伽利略的漢堡斜塔實(shí)驗(yàn)起，這一定律己歷經(jīng)多次高精度檢驗(yàn)，屢試不爽。迄今為止最精確的檢驗(yàn)當(dāng)屬芝加哥學(xué)院的研究人員在2008年舉辦的實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)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(shí)驗(yàn)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?lài)?yán)格創(chuàng)立。因此，美國(guó)國(guó)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(xiàng)目，用于檢驗(yàn)等效原理。因?yàn)槔@地軌道衛(wèi)星上重力為零，衛(wèi)星中物體的自由下落時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于月球上的物體，因而，該項(xiàng)目的檢測(cè)精度高達(dá)10-15?；磉_(dá)恐怕該項(xiàng)目將在今年初得到首個(gè)重大結(jié)果。
與芝加哥學(xué)院的實(shí)驗(yàn)類(lèi)似，“顯微鏡”項(xiàng)目主要研究“經(jīng)典物體”的自由落體運(yùn)動(dòng)。而近來(lái)，美國(guó)梅多克LP2N實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。原子系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括不會(huì)被雜質(zhì)污染、可控性強(qiáng)——能夠通過(guò)改變?cè)拥妮d流子等性質(zhì)對(duì)等效原理進(jìn)行檢驗(yàn)。
來(lái)自激光的一擊
研究人員讓銣原子和鉀原子自由下落，過(guò)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(shí)順著兩個(gè)互相垂直的路徑前進(jìn)。在路徑末端，兩種態(tài)互相干涉，產(chǎn)生干涉白色。通過(guò)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(duì)相移（物質(zhì)波的末態(tài)相對(duì)初態(tài)的相位聯(lián)通）是否相同。假如不同，則說(shuō)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(duì)自由落體定理進(jìn)行了檢驗(yàn)，精確度達(dá)到了10-8，但這種實(shí)驗(yàn)都在地面上進(jìn)行。她們終極目標(biāo)是步入太空，在失重條件下檢驗(yàn)自由落體定理。Bouye和他的朋友們盡管沒(méi)能實(shí)現(xiàn)終極目標(biāo)，但她們找到了一種代替形式，借助專(zhuān)門(mén)加裝的空客客機(jī)模擬接近零重力的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。這架"zero-G"號(hào)客機(jī)先以45度角爬升伽利略自由落體實(shí)驗(yàn)，抵達(dá)一定高度后，動(dòng)力被調(diào)整至正好抵消空氣阻力，隨即進(jìn)行大概20秒的自由落體運(yùn)動(dòng)。在重力作用下伽利略自由落體實(shí)驗(yàn)，客機(jī)的軌跡劃出一條拋物線。客機(jī)在穩(wěn)定后再度爬升、下降，不斷重復(fù)這一過(guò)程。今年，Bouye的研究團(tuán)隊(duì)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(fèi)了將近10年，不厭其煩地在喧鬧的客機(jī)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(xiàng)研究有賴(lài)于大量技術(shù)創(chuàng)新來(lái)增加客機(jī)上高達(dá)0.01g的振動(dòng)以及客機(jī)在拋物線飛行中的高速旋轉(zhuǎn)（約每分鐘一圈）帶來(lái)的影響。即使實(shí)驗(yàn)精度只有3×10-4，但其重要意義在于證明該實(shí)驗(yàn)裝置在太空實(shí)驗(yàn)中同樣適用。他還預(yù)測(cè)道，“未來(lái)幾年，好多實(shí)驗(yàn)都可以用到我們開(kāi)發(fā)的技術(shù)?！?span style="display:none">ai6物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
該團(tuán)隊(duì)的下一步工作是在今年初進(jìn)行新的測(cè)試，企圖證明單原子可以用于“慣性”導(dǎo)航，這須要對(duì)物體的加速度和旋轉(zhuǎn)進(jìn)行持續(xù)檢測(cè)。除此以外，團(tuán)隊(duì)的一些成員還在STE-QUEST項(xiàng)目（Space-TimeandSpaceTest，時(shí)空探求者和量子等效原理空間檢驗(yàn)）中進(jìn)行干涉儀技術(shù)開(kāi)發(fā)。不過(guò)表示，這顆價(jià)值約5億美元的衛(wèi)星最早也要2025年才會(huì)發(fā)射升空。
路漫漫其修遠(yuǎn)。