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来自 凤凰彩票唯一官方网站科学 2019-08-19 23:01 的文章
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他们不知道地球的重力是多少,意科学家首次直

意大利研究人员第一次成功实施了直接测量重力曲率的实验,这一成果标志着他们可能改进牛顿重力常数G。相关成果发布在近期《物理评论快报》杂志上。

1引言 波的干涉是自然界的本质特性.光是一种电磁波,光的干涉现象早已被人认识.根据量子理论,任何微观粒子(如电子、中子、原子、分子)都具有波粒二象性,微观粒子的波动性(称为物质波或德布罗意波)由波函数描述,服从薛定谔方程.物质波同样满足线性叠加原理,具有相干性.自从1991年实现了脉冲式原子干涉仪以来,原子干涉仪在精密测量领域得到了广泛的应用,典型的应用有重力加速度测量和重力梯度测量旋转速率测量和地球自转速率的测量牛顿引力常数的测量以及精细结构常数的测量等.利用原子干涉仪验证等效性原理以及原子干涉仪在空间应用已经引起关注. 原子干涉仪基于物质的波动特性,实质是对原子波包的相干操作.将原子波包相干地分束和合束后形成两个或者多个路径,观察这些不可区分路径即产生干涉条纹.操作原子波包的方式有激光驻波形成的衍射光栅结构和受激拉曼光相干分束原子等.由于原子物质波具有与光波不同的内禀特性,基于原子干涉的原子陀螺仪和原子加速度计,可达到的灵敏度远高于激光陀螺仪或激光加速度计.理论上分别求解光波波动方程和物质波的薛定谔方程,可得到同等环路面积条件下,原子陀螺仪与光学陀螺仪灵敏度的比值为Rgyro=mc2hν=λλdeBcv,其中c为真空中光速,λ是光波波长,ν是光频率,υ为原子的运动速度,m是原子的质量,λdeB=h/mυ是原子的德布罗意波波长.因为λdeBλ,且υc,故在典型条件下,Rgyro~1010,即原子陀螺仪的内禀灵敏度可比同面积的激光陀螺仪高10个量级.这是由于物质波波长远小于可见光的波长,所以与激光干涉仪相比,原子干涉仪对更小的变化更灵敏;又由于原子的运动速度远慢于光速,因此在原子陀螺仪中,原子飞越相同的干涉路程时将经历更长时间的转动,从而产生更大的条纹移动.类似的分析发现,原子加速度计的内禀灵敏度与光学的比值为Raccel=2mc2hνcv=2λλdeB在典型条件下,该比值达1017. 原子干涉的历史要追溯到20世纪初期,1924年,Hanle在原子蒸汽中研究了持续几十个纳秒的原子相干叠加态[17],随着原子束技术的发展,Stern-Gerlach磁场被用来选择和保存原子在特定的量子态中,1938年,Rabi采用射频共振技术实现了原子内部量子态的改变。1949年,Ramsey实现了较长时间原子内部量子态的相干叠加,用分离振荡场技术实现原子内部量子态的相干操作,为实际应用带来重大变化,典型应用有原子频率标准,核磁共振波谱和量子信息等.随着冷原子技术的发展,采用冷原子的原子干涉仪得到了迅速发展,1991年,朱棣文用受激拉曼脉冲序列对冷原子内部量子态操作,使原子波包相干分束、反射和合束,原子外部量子态在波包自由演化后通过原子内部量子态进行测量,实现了受激拉曼跃迁式原子干涉仪;1997年,朱棣文又用原子陀螺仪实现了转动的精密测量,精度达到10-8/Hz.法国巴黎大学实现了冷原子自旋-极化干涉仪.美国耶鲁大学继2000年实现了大面积光-脉冲原子干涉仪之后,又于2002年利用原子干涉仪实现了灵敏的重力梯度仪,灵敏度达10-9g/Hz. 目前国际上灵敏度最高的原子干涉陀螺仪用热原子束实现.热原子束的优点是原子数多,可以获得更高的信噪比.从提高灵敏度来讲,得到更大的干涉环路面积需要增加长度或者降低原子速度,热原子束速度很大,通常为每秒几百米,冷原子的速度可以精确地控制在每秒几米左右,在系统集成和小型化方面有着明显优势.冷原子陀螺仪通常采用双环路原子干涉仪的构型实现[5],其优点在于可将系统小型化,同时可以抑制共模噪声和方便提取旋转相移.重力加速度引起的相移为Δ=12·T2,T是拉曼脉冲时间间隔,可以通过降低原子速度来增加相移,因此,冷原子在测量重力加速度方面比热原子具有明显的优势.2原子干涉仪的原理 光或原子的波动与干涉可由图1所示的著名的杨氏双狭缝实验来演示.这也是原子干涉仪的基本原理,即不可区分的两条路径的几率振幅叠加的结果将产生干涉. 原子干涉仪的运作一般分为几个步骤:原子初态制备、原子波包相干分束、原子波包自由演化、原子波包相干合束、原子末态探测.下面以拉曼型原子干涉仪为例,介绍原子干涉仪的基本物理原理和相关应用. 在原子干涉仪中,要相干地对原子波包分束和合束,并保证原子波包在自由演化过程中保持其相干特性,最初原子干涉仪设计类似于光波杨氏双缝干涉仪实验[20,21],但用激光对原子产生的力学效应,使原子在吸收或受激辐射光子的同时得到光子反冲动量,使原子波包分束和合束,用受激拉曼过程对原子波包相干操作,使原子获得双光子反冲动量,从而增加原子干涉环路的面积,提高原子干涉仪的灵敏度. 4原子干涉仪在精密测量中的应用 冷原子具有质量和传播时间长等特征决定了它在精密测量领域有着独特的优势.原子干涉仪作为惯性传感器可与最好的其他惯性传感器比拟.利用原子干涉仪作为惯性传感器,测量重力加速度的分辨率达到2×10-8/Hz,重力梯度仪的分辨率达到4×10-9/Hz,牛顿引力常数测量不确定度达到±0.003×10-11m3kg-1s-2[9,10],用热原子束实现原子陀螺仪灵敏度达到1.4×10-10rad/s,偏置稳定度达到7×10-5/h,短期噪声达到3×10-5/h.冷原子陀螺仪的灵敏度在10min平均时间达到1.4×10-7rad/s. 5原子干涉仪空间应用 美国斯坦福大学、麻省理工学院等研究单位对原子陀螺仪进行了深入的科学研究,美国宇航局启动了空间原子重力梯度仪研制计划,用以精密测量地球重力场.欧洲空间局启动了HYPER(hyper-precisioncoldatominterferometryinspace)计划,该计划首次用原子干涉仪作为加速度和转动的传感器来控制飞船(与卫星定位系统连用),同时进行重力磁效应和量子重力的科学研究,包括精细结构常数的测量和物质波相干等实验. HYPER的第一个卫星使命是用冷原子干涉仪作为惯性传感器控制飞船,用4个原子干涉仪组成2个双环路原子陀螺仪测量2个正交方向的加速度和旋转,通过激光控制原子的速度,使2个原子陀螺仪工作在不同模式:粗测和细测.粗测的灵敏度为10-9rad/s,用作姿态和轨道控制系统;细测的灵敏度为10-12rad/s,用来测量引力效应.HYPER对精细结构常数独立测量不依赖于量子电动力学,预计提高一个量级,用于比较量子电动力学的结果,HYPER将进行引力实验来检验广义相对论的时空弯曲和进行量子引力实验. 6小结 利用原子干涉仪可进行精密物理测量,例如:转动、加速度、加速度梯度等.因而,原子干涉仪在导航定位、地下掩体探测、探矿找油等方面有广泛的应用前景. 原子干涉仪性能的进一步提高将受到两方面的限制:由于重力的影响,原子飞行的时间有限,飞行路径包含的面积较小,难以进一步提高灵敏度;在原子动量起伏较大的情况下,不能将原子束等比例地分离到两个路径上,降低了干涉条纹的对比度.因此,除了改善现有原子干涉仪的方案之外,发展全新的技术来解决以上两方面的问题是原子干涉仪未来的主要发展趋势.这包括改善原子束源和寻找操纵原子的新方法.在原子束源方面,采用玻色-爱因斯坦凝聚体进行原子干涉仪研究,可以比采用一般磁光阱中的冷原子具有更长的相互作用时间和更好的信噪比.在原子操纵方面,原子微结构磁囚禁和导引可以极大地提高人们对原子的操纵能力,有利于发展小型化原子干涉仪.

我们使用的大多数单位,都是以精密的微观测量为基础的——比如1秒钟的时间长度,就是用特定原子的某种规则振荡来定义的。唯一的例外是质量的基本单位——千克,它是由保存在巴黎一个地下室中的一块由铂铱合金构成的圆柱体定义的。当然,还有一定数量被认为是一模一样的复制品分布在世界各地。问题在于,由于表面上日积月累的污垢和原子尺度上细微的变化,这些金属圆柱体的质量已经不再能够精确保持一致了。

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由德国德累斯顿技术大学科学家领导的国际研究小组,在一种晶体新材料中成功测得重力—量子异常。这是科学家们首次观测到模拟重力场下真实晶体内存在的量子异常现象。研究发表在新一期的《自然》杂志上。

很多年来,科学家已经发明了很多种复杂的方法来测量重力,最新的方法是利用原子干涉法。这种方法通过原子的量子机械波动性质,使相关距离测量具有较高精度。直到现在,研究人员已经能够测量随高度增加而变化的重力,在几英尺的范围内都能测出重力渐变。

基础物理学上的一个概念,或许可以解救千克的定义。根据量子物理学,所有物质都会表现出波动性质,按某种正比于物质质量的频率振荡——如果我们测量这种振荡,就能够得到质量。然而,可靠地测量这一频率是一项艰巨的挑战,因为就算是电子这样的低质量粒子,这一频率也高得惊人。

根据传说,伽利略在比萨斜塔上做的第一个实验表明,不论质量如何,所有物体会以相同的速度下落。在没有空气阻力的情况下,任何两个物体在引力场中下落,都会以相同的速度加速到地面。这后来被编成了一条准则,作为牛顿对引力问题研究的一部分。

物理学中能量、脉冲或电荷的形式尽管会发生变化,但永远不会消失。然而,在特定条件下,当人们将经典物理学应用于非经典物理学时,这一情况就不是必然,人们称之为量子异常。之前还没有实验可以证明重力—量子异常,这是科学家首次在晶体材料上完成量子异常实验,绕过了一个极其困难的实验——需要足够强的重力场来观测重力—量子异常。

新的研究成果能测量由大质量引起的引力变化,这种变化梯度被称为重力曲率。据物理学家组织网近日报道,为了直接测量梯度的变化,需要在三个不同高度进行测量。测量临近两个点的重力,产生两个不同的结果,再分别除以两个点之间的距离,得出不同的值,形成梯度。在三个点测量重力则能计算出变化率,即重力曲率。这个测量方法最初在2002年被提出,意大利研究人员的实验正是基于这个假设进行的。

美国加利福尼亚大学伯克利分校的博士后研究员蓝劭宇(Shau-Yu Lan)和他的同事,采用了一些先进技术,构建了一台基于单个铯原子的原子钟,这台设备能够将这个原子超高的天然频率拆分成更容易测量的量。这一成果清楚地表明,在一个微观质量的基础上构建时钟是可以做到的。此外,由于我们已经有了能够拿来比对的精确时钟,因此这项实验还可以反向进行,在未来成为一种精确测量质量的方法。这一进展今天发表在《科学》杂志的科学快讯网站上。

什么是G?以及重要性

研究人员通过对晶体材料的研究发现,在特定情况下,晶体的重力场可通过温差模拟,如此一来,不需要在实验室中创造一个时空曲率,就可以在引力场中进行测量。他们使用的晶体材料为外尔半金属,这种材料拥有一定数量的名为“外尔费米子”的电子。这种电子有两种不同的旋转方向,既有左旋电子,又有右旋电子,而且每种旋转方向其电子的能量和脉冲保持定值,这样,除非出现量子异常,不管是左旋还是右旋的电子库能量和脉冲都保持定值,这一特性在重力—量子异常验证中具有特殊意义。

为了同时在三个位置测量重力,研究人员在一米长管内的三个不同高度,创建了三个超冷原子羽流。管子的上半部分被钨合金材料包裹,用来增加引力场的变化。用能引起羽流一分为二的激光脉冲来辐射原子,一部分原子吸收了光子,另一部分则仍处于基础状态。在测量时间段内,增加的动量让第一部分原子下降了一段距离,引起了两部分之间的量子波周期差异。然后,研究人员将增加两波脉冲,让这两部分重新组合,并让他们能够相互干涉。正如预测的那样,测量这种干涉作用,能计算出重力加速度和曲率的变化。

直接测量细微的质量,从来不是一件简单的事情,不是把它们放在天平上就行的。利用碳纳米管等分子的振动进行质量测量的方法已经取得了一些进展。然而,就像原子钟一样。这些系统全都建立在一堆粒子及其相互作用的基础之上。这本身就会给测量精度带来天然的限制。尽管这些限制相当小,但是为了真正精确地定义1秒钟或1千克这样的基本单位,我们还必须做得更好。

当我们第一次开始制定物理定律时,我们凭借以往的经验并通过严谨的实验,就像伽利略可能做过的比萨斜塔实验一样,把球从塔上扔下去,我们可以测量球落下的距离和落地的时间。释放一个钟摆,我们可以找到钟摆的长度和摆动时间之间的关系。这时我们就会发现在一定距离、长度和时间上会存在一种关系:坠落物体的距离与时间的平方成正比;钟摆的周期与钟摆长度的平方成正比。

研究人员利用导电体电流引起的温差对新材料进行实验,当在晶体材料上施加额外的温差时,他们观察到电流随磁场的增加而增加。这个结果源于原先与旋转方向无关的固定能量和脉冲值发生变化,如左旋电子比右旋电子获得更多能量和脉冲,这就为研究人员验证重力—量子差异找到了证据。

研究人员相信,用他们的方法能够很好地改进对G常数的测量,这在地理和地图绘制等工作中意义非凡。

单个粒子也拥有波动性质,拥有一个基本的振荡频率。每种粒子都有一个特定的、正比于它们质量的频率,被称为康普顿频率(Compton frequency)。

但是要把这些关系写成完美的数学公式,我就需要十分精确的测量出一个常量。

该项目主要研究人员尼曼博士称,借助这项实验,研究人员可以回答固体物理学领域的许多难题,并对材料研究领域起到重要作用。这项研究结果还有助于天体物理学家更好地了解早期宇宙演变进程以及粒子物理学家验证粒子衰变等。

康普顿频率相当之高:对于一个电子而言,这个频率是1.23×10 20 赫兹,即1230亿吉赫(GHz),比实验室里的实验通常能够测量的频率高出太多。更重的粒子,比如质子,就会拥有更高的康普顿频率,因为这个频率与质量保持简单的线性正比关系,如果一个粒子的质量翻倍,它的康普顿频率也会翻倍。但这种频率有一个巨大的优势:它们基础得不能再基础了。康普顿频率与粒子之间的任何相互作用都没有关系,而且对于任何粒子,不论是原子、分子还是任何一个微观物体,都可以定义康普顿频率。

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这些研究人员测出了一个铯原子的康普顿频率,方法是把这个铯原子囚禁在一台拉姆塞-博德干涉仪中。这台设备向这个原子发射了两束激光脉冲,原子从一束脉冲中吸收光子,再重新发射到第二束脉冲中。干涉仪通过改变脉冲的时长和其中包含的光子数量来控制这个原子作出何种反应。对这两束激光脉冲发射时间之间的差异进行微调,就能产生一个新的频率,就好像把两种水波纹叠加在一起会产生一个拥有不同频率的新水波纹一样。

太阳系内部的行星轨道并不完全是圆形的,其中以水星和火星的轨道偏离和椭圆度最大。在19世纪中期,科学家们开始注意到水星的运动偏离了牛顿引力的预测,这一微小的偏离只有在20世纪才被广义相对论所解释。同样的万有引力定律和常数,描述了从地球到宇宙的所有尺度上的引力效应。

在拉姆塞-博德干涉仪中,这种新的频率恰好是康普顿频率的一个分量,并且这个频率分量足够小,落到了实验可测的范围之内。以这个频率为基础,研究人员构建了一台只用到了单个原子的原子钟。尽管跟基于其他原理建造的现代原子钟相比,新原子钟的精度要差了许多,但它验证了一个重要的概念。加以改进的话,这类实验可以用来精确定义1秒的长度,比其他可能的定义方法更加精确,因为许多其他方法都依赖于一堆原子,而不是单个原子。

在这些例子中,月亮围绕地球转,行星围绕太阳转,光线因引力透镜而弯曲,彗星从太阳系中逃逸时会损失能量,所有这些都与引力常数G相关。在16世纪40年代和50年代,牛顿出现之前,意大利科学家弗朗切斯科·马尔迪和乔瓦尼·里奇奥利就首次计算了引力常数,这意味着G是有史以来第一个基本常数,甚至在奥勒·罗默于1676年测定光速之前。

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