物理学家使用原子干涉测量法直接测量重力的曲率

时间：2021-06-11 11:52:08 来源：

（a）实验方案。RB87原子被捕获并在MOT中冷却。三个原子云沿着垂直方向快速序列发射，具有移动光学糖蜜。在原子轨迹的Apogees附近，通过拉曼干涉测量进行三个云感测的垂直加速度的测量。将外部源块定位，以最大化三个云位置的平均重力曲率。（b）由源块和地球的重力梯度产生的对称轴（AZ）的引力加速度;减去了地球引力加速度的恒定价值核算。三个原子干涉仪的空间区域由厚的红线表示。

新出版的研究详细介绍了一支物理学家团队在三个不同高度的冷原子同时测量重力，以实现重力场曲率的第一直接测量。

地球的引力拉逐渐随着高度越来越大而逐渐减少，并且使用冷原子的极端敏感性，研究人员甚至在实验室内的几个垂直脚上检测到差异。现在，一支球队通过测量大量高度的测量来测量由大量质量产生的这种重力梯度的变化进行了下一步。他们说，他们的技术可以改善地质和勘探中岩石密度的变化的基于重力的映射，并且还可以提高一般相对论的测试精度和重力常数的测量。

通过利用原子的量子机械波状自然，原子干涉测量技术能够以极高的精度具有极高的精度。先前已经使用以测量引力领域的强度以及在一定距离（梯度）上的那些字段中的变化率。这些测量在一起允许牛顿的重力常数G待确定[1,2]。它目前已知在每百万百左右内，比其他基本常数要低得多。更准确的测量将允许通用相对论理论的更高精度测试。

在两个接近位置的测量重力使梯度随着它们的分离距离而差异;在三个位置测量给出了梯度的变化率，这也称为场的曲率。该实验是在2002年提出的[3]，现在意大利的一支球队由佛罗伦萨大学Guglielmo Tino领导，并将其展开。以前，TINA和他的同事通过在具有类似实验的两种不同高度下测量重力来确定g [4]。

为了同时测量三个地点的重力，该团队在米长的垂直管道内推出了三个超薄原子到三个不同的高度。围绕管道的上半部分为516kg钨合金重量，以增加引力场的变化。在轨迹的峰值附近，原子用来自管道顶部和底部的快速系列激光脉冲照射。

在球队的技术中，第一脉冲将每个云分开到两个群体中 - 吸收两个光子的群体，将其发送到激发态并提供动量升压，以及留在地面状态的第二个群体。额外的动力导致第一个在固定时间内落下不同的距离，这导致了与地面群体相比经过的量子波循环数量的重力依赖性差异。两个波脉冲重组群体，让它们干扰。从干扰效果来看，研究人员可以计算两个人群轨迹的长度的差异，这取决于引力加速度的差异。该团队的重力加速度的变化百分之百百分之百万％，并计算平均曲率为1.4105s2m1，×这−几−乎−与他们预测的值相同。

TINO说，测量引力场的曲率可以改善G的测量。一种常见的方法涉及测量场强和梯度，因为重质量在一个探测器之间移动并且另一个。但是，通过同时在不同位置进行两个单独的梯度测量，新技术可以消除系统的错误源，而无需移动质量，这可以引入设备的换档的误差。

曲率也可用于绘制地球的重力变化，其用于推导埋地的地质结构并找到油藏。即使密度变化很小，如果密度变化突然，曲率也会急剧改变，如步进边缘。因此，测量重力曲率可以提高这种密度图的空间分辨率。

“测量引力力对地下的一切敏感，”加州大学伯克利霍尔说，伯克利使用原子干涉测量，为探测基本物理学进行超微颖的测量。“测量重力梯度增强了对附近物体的敏感性，并测量[曲率]甚至更多。”Müller说，一种实用的曲率测量装置是“成就伟大的成就”。

出版物：G. Rosi，L.Cacciapuoti，F. Sorrentino，M. Menchetti，M.VemeDelli和G.M. TINO，“通过原子干涉测量测量重力场曲率”，“物理。莱特牧师114,013001,2015; DOI：10.1103 / physrevlett.114.013001

研究报告的PDF副本：原子干涉测量的重力场曲率测量

图像：美国物理社会，DOI：10.1103 / Physrevlett.114.013001

参考

J. B. Foster，G.T. Foster，J.M.McGuirk和M. A.Kasevich，“牛顿干涉仪测量牛顿的重力，”Science 315,74（2007）.g。Lamporesi，A.Bertoldi，L.CacciaPuoti，M.VemeDelli和G. M. Tino，“使用原子干涉测量法测定牛顿引力常数”，“物理”。莱特牧师100,050801（2008）.j。M.McGuirk，G.T.Foster，J.B.F. Fixler，M.J.Snadden和M. A. Kasevich，“使用原子干涉测量敏感的绝对重力毕业测量测量测量法”。Rev. A 65,033608（2002）.g。Rosi，F.Sorrentino，L.Cacciapuoti，M.VeveDelli和G. M.Tino，“使用寒冷原子的牛顿重力常数的精确测量”，Nature 510,518（2014）。

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