通过观察原子悬浮在半空中而不是自由落体时的运动，物理学家们想出了一种测量地球引力的新方法。

 

传统上，科学家通过跟踪原子从高滑道上坠落的速度来测量重力对原子的影响。这样的实验可以帮助检验爱因斯坦的引力理论，沐鸣平台注册登录官网并精确测量基本常数(SN: 4/12/18)。但是在自由落体实验中使用的一米长的管子可能很笨重，而且很难屏蔽环境干扰，比如杂散磁场。有了新的桌面装置，物理学家可以通过激光监测悬浮在空气中几毫米的原子来测量地球引力的强度。

 

11月8日的《科学》(Science)杂志描述了这种重新设计，它可以更好地探测小物体施加的引力。这项技术也可以用来测量世界上不同地方的轻微的重力变化，这可能有助于绘制海底地图或在地下发现石油和矿物(SN: 2/12/08)。

 

加州大学伯克利分校的物理学家Victoria Xu和他的同事们首先向空气中发射了一团铯原子，然后利用闪光将每个原子分裂成叠加态。在这个奇怪的量子界，每个原子同时存在于两个地方:一个原子比另一个原子高出几微米。许的团队随后用激光将这些分裂的铯原子捕获在半空中。

 

有你,原子

 

为了测量重力，物理学家将原子分裂成一种被称为叠加的奇怪量子态，其中一种原子略高于另一种原子(图中蓝色圆点由垂直的黄色带连接)。研究人员利用激光(水平蓝色波段)将这些原子捕获在半空中。在光照下，由于单个原子在地球重力场中的位置不同，它们的表现也略有不同。通过测量这些差异，物理学家可以确定那个位置的地球引力强度。

 

用固定的原子来测量引力的强度，而不是被引力场往下拉，需要利用原子的波粒二象性(SN: 11/5/10)。量子效应意味着，就像光波可以像光子一样，原子也可以像波一样。由于铯原子在地球重力场中的位置略有不同，原子波的高阶版本比低阶版本的波动速度快一些。通过追踪两个版本的原子的波状脱离同步的速度，物理学家可以计算出地球在那个点的重力强度。

 

“非常令人印象深刻，”麻省理工学院的物理学家艾伦·贾米森说。对他来说，这项新技术的一个重大前景是更可控的测量。他说:“在落体实验中，你有一个10米长的塔，这是一个相当大的挑战。”“磁场是很难屏蔽的，环境到处都会产生磁场——你建筑里的所有电力系统，等等。在更小的空间里工作，更容易避免那些环境噪音。”

 

该研究的合著者霍尔格·穆勒(Holger Muller)说，更紧凑的设备还可以测量更短范围内的重力效应。“假设你不想测量整个地球的重力，但你想测量一个小物体的重力，比如一个大理石，”他说。“我们只需要把大理石放在离原子近的地方(并保持在那里)。在传统的自由落体实验中，原子在我们的弹珠附近停留的时间很短——只有几毫秒——而我们得到的信号却少得多。”

 

英国伯明翰大学的物理学家Kai Bongs设想使用这种新型原子重力仪来研究暗物质的性质，沐鸣平台登陆线路或者测试爱因斯坦引力理论的一个被称为等效原理的基本方面(SN: 4/28/17)。许多统一的物理学理论提出调和量子力学和爱因斯坦的引力理论——它们是不相容的——在某种程度上违反了等价原理。他说:“所以寻找违规行为可能会引导我们找到大统一理论。”“这是物理学中的圣杯之一。”