使用“原子喷泉”测量时空曲率 它利用了量子力学的一个原理

　　1797 年，英国科学家亨利·卡文迪许用一个由铅球、木棒和金属丝制成的装置测量了重力的强度。在 21 世纪，科学家们正在用更复杂的工具做一些非常相似的事情：原子。重力可能是物理入门课程的早期主题，但这并不意味着科学家们仍在尝试以不断提高的精度对其进行测量。现在，一组物理学家利用时间膨胀的效果——由速度或重力增加引起的时间减慢——对原子进行了研究。在今天（1 月 13 日）在线发表在《科学》杂志上的一篇论文中，研究人员宣布他们已经能够测量时空的曲率。

　　该实验属于称为原子干涉测量的科学领域的一部分。它利用了量子力学的一个原理：就像光波可以表示为粒子一样，粒子（例如原子）也可以表示为“波包”。正如光波可以重叠并产生干扰一样，物质波包也可以。

　　特别是，如果一个原子的波包被分成两部分，允许做某事，然后重新组合，这些波可能不再排列——换句话说，它们的相位已经改变。

　　“人们试图从这种相移中提取有用的信息，”未参与这项新研究的德国乌尔姆量子技术研究所的物理学家 Albert Roura 告诉 Space.com。

　　引力波探测器通过类似的原理工作。通过以这种方式研究粒子，科学家们可以微调宇宙的一些关键运作背后的数字，例如电子的行为方式和引力的真实程度——以及它如何在相对较小的距离内发生微妙的变化。

　　这是斯坦福大学的克里斯奥弗斯特里特和他的同事在新研究中测量的最后一个效应。为了做到这一点，他们创造了一个“原子喷泉”，由一个 33 英尺（10 米）高的真空管组成，顶部饰有一个环。

　　研究人员通过发射激光脉冲来控制原子喷泉。通过一个脉冲，他们从底部向上发射了两个原子。在第二个脉冲将它们击落之前，这两个原子达到了不同的高度。第三个脉冲捕获底部的原子，重新组合原子的波包。

　　研究人员发现这两个波包是异相的——这表明原子喷泉中的引力场并不完全均匀。

　　“这……在广义相对论中，实际上可以理解为时空曲率的影响，”鲁拉告诉 Space.com，他指的是阿尔伯特爱因斯坦最著名的理论之一。

　　由于更高的原子更靠近环，由于环的重力，它经历了更多的加速度。在完全均匀的引力场中，这种效应会被抵消。这不是这里发生的事情。相反，原子的波包是异相的，并且由于时间膨胀的影响，经历了更多加速的原子与其对应的原子稍微不合时宜。

　　结果是微小的变化，但原子干涉仪足够灵敏，可以捕捉到它。由于科学家们可以控制环的位置和质量，Roura 告诉 Space.com，“他们能够测量和研究这些效应。”

　　研究人员表示，尽管这一发现背后的技术——原子干涉测量法——可能看起来很神秘，但有一天，原子干涉测量法可能会被用来探测引力波，并帮助我们比 GPS 更好地导航。