太空中的超冷原子将让我们压力测试爱因斯坦的相对论

    在国际空间站上的钾和铷原子已经被冷却到几乎绝对零度，来将爱因斯坦的广义相对论的基本原理放到一个终极测试

By Karmela Padavic-Callaghan

15 November 2023

Physics

国际空间站，尖端物理学实验的家园。NASA

    物理学家正接近执行承担爱因斯坦的关于引力的想法的从来最准确的测试。他们的同类首次实验涉及在国际空间站（ISS）上用两种极冷原子。

    爱因斯坦的理论的一个关键原则是研究人员几十年来一直在测试的一个原则即等效原则。这声明当引力是作用在它们上的唯一力时所有物体都以相同的加速度下落。

    迄今为止该原则最敏感的测试之一依靠在加利福尼亚州的一个特殊设施中将非常冷的铷原子放进自由落体，另一项测试涉及探索引力对被在一颗卫星上发射进太空的精确测量的质量的物质的效应。

    德国汉诺威莱布尼茨大学的那索尔咖娄二和他的同事们现在已经建立了一个通过在太空中用超冷原子结合这两项更早测试的元素的实验。

    他们用国际空间站上的冷原子实验室（CAL），该实验室于2018年发射，被建造来检查在原子中只有当它们是极冷和当引力是极低时可注意到的量子效应。在冷原子实验室内，原子被囚禁到一个片并被推拉和被磁力和激光击中弄得非常冷。

    在仅十亿分之一的温度下......在绝对零度以上一个度，量子效应使这些原子像一个重叠物质波的集合一样行为，而不是分明的粒子。在这项新实验中，研究人员在同一片上冷却钾和铷原子，然后设法以一种有效的将片变成两个隔开的装置叫干涉仪的方式操纵它们。

    干涉仪基于在它们内部被物质波碰撞弄成的图案测量加速度。国际空间站始终处于自由落体中，由于引力它总是正在加速，因此如果两个干涉仪记录不同的加速度值，则等效原则将被打破。

    虽然研究人员现在已经成功地在冷原子实验室中弄出了两个干涉仪，但在他们能用它们来充分测试等效原则之前他们需要进一步优化这两个装置。

    伊利诺伊州西北大学的蒂莫西考瓦奇说，“等效原则是我们的理解引力的基石，但这些实验可能超越仅是测试广义相对论。可能有一种没有被包括在标准模型中因为打破这一原则表现的新粒子”。他说，基于原子的干涉仪的精度增加在自由落体中是更长的原子，而且因为这种自由落体能多长被维持在地球上有时间约束，达到极高的精度需要进入太空。

    咖娄二说，这样做是一个不断发展且竞争激烈的领域。2017年，他当时是由德国航天局（DLR）赞助的一个团队的一员，在一枚研究火箭上用超冷铷原子而不是钾原子取得了原子干涉测量。德国航天局团队将在未来几个月内发射另一枚火箭，这次船上既有钾原子又有铷原子。

    预计冷原子实验室的结果将产生比那些用基于卫星测试获得的更准确数百倍，比基于地球的实验更准确数十万倍，但咖娄二说，最终也将是必要的超越国际空间站。他说，因为来自宇航员骑自行车和其他正在发生的事情的振动，国际空间站对精密实验是不完美的。但在这里，我们将确保等效原则测试的技术，这些技术最终将在一颗专用的卫星上发生。

    期刊参考:Nature DOI: 10.1038/s41586-023-06645-w

https://www.newscientist.com/article/2402740-ultracold-atoms-in-space-will-let-us-stress-test-einsteins-relativity/