太空原子预示着对爱因斯坦等效原理的新测试 - 物理世界

自由落体的运动与其组成无关。这是爱因斯坦等效原理 (EEP) 的基础之一，它支撑着我们对引力的现代理解。然而，这一原则正在受到不断的审查。任何违反它的行为都将为我们寻找暗能量和暗物质提供线索，同时也指导我们对黑洞以及引力和量子力学相遇的其他系统的理解。

来自美国、法国和德国的科学家现已创建了一种用于测试 EEP 的新系统：两种超冷量子气体的混合物，在国际空间站 (ISS) 上绕地球运行。他们还展示了太空中的第一个双物种原子干涉仪，他们将其描述为测试 EEP 的“重要一步”。他们希望通过这个实验回答的问题很简单：两个不同质量的原子以相同的速率下落吗？

国际空间站上的冷原子

国际空间站是 冷原子实验室 （CAL），这是太空中原子的“游乐场”。它于 2018 年发射，并于 2020 年创造了第一个太空玻色-爱因斯坦凝聚体 (BEC)——一种将原子冷却到略高于绝对零的温度后实现的特殊物质状态。第一种量子气体由超冷铷原子组成，但在 2021 年升级后，CAL 还配备了用于制造钾原子量子气体的微波源。

在最新的作品中，描述于 自然，CAL 科学家在国际空间站上生成了两种物种的量子混合物。 “在太空中生成这种量子混合物是开发高精度测量以测试爱因斯坦等效原理的重要一步，”说 加布里埃尔·穆勒参与这项实验的德国汉诺威莱布尼茨大学的博士生。

为了实现这种混合物，研究小组将铷原子限制在磁陷阱中，并让最具能量的“热”原子从陷阱中蒸发，留下“冷”原子。一旦原子降至某个临界温度以下，这最终会导致相变为量子气体。

虽然这个过程也适用于钾原子，但在同一个陷阱中同时蒸发两种物质并不简单。由于铷和钾原子的内能结构不同，它们在陷阱中的初始温度也不同，陷阱的最佳条件和达到临界温度所需的蒸发时间也不同。结果，科学家们不得不转向不同的解决方案。 “钾量子气体不是通过蒸发冷却产生的，而是通过与蒸发的超冷铷气体直接热接触而‘交感’冷却，”Müller 解释道。

他补充说，在太空中产生这种量子气体有其优点。 “在地球上，存在重力下垂，这意味着两个不同质量的原子不会处于陷阱中的同一位置。另一方面，在太空中，引力相互作用很弱，两个物种是重叠的。”在微重力下工作的这一方面对于进行旨在观察两个物种之间相互作用的实验至关重要，否则这些实验将被地球重力的影响所劫持。

量子态工程的关键作用

生产铷和钾原子的量子混合物使 CAL 团队距离测试 EEP 又近了一步，但实验的其他元素仍需要改进。例如，虽然两个物种在陷阱中重叠，但当它们从陷阱中释放时，它们的初始位置略有不同。穆勒解释说，这部分是由于每种原子种类的特性导致了不同的动力学，但也是由于陷阱释放不是瞬时的，这意味着其中一种原子相对于另一种原子会经历残余磁力。如果处理不当，这种系统性影响很容易表现为违反 EEP。

因此，科学家们将注意力转向表征陷阱的系统性并减少不必要的噪音。 “这是汉诺威正在积极开展的工作，旨在为两种物种创建精心设计的输入状态，这至关重要，因为在启动干涉仪之前需要类似的初始条件，”穆勒说。他补充说，解决初始位置问题的一种方法是在关闭磁阱之前将两种物质缓慢输送到一个位置。虽然这可以高精度地完成，但它的代价是加热原子并失去其中一些原子。因此，科学家们希望利用机器学习来优化传输机制，从而实现对原子动力学的类似控制，但速度要快得多。

空间双物种原子干涉仪

一旦这些问题得到解决，下一步将是使用双物种原子干涉仪进行 EEP 测试。这涉及使用光脉冲创建两个超冷原子云的相干叠加，然后将它们重新组合并在一定的自由演化时间后让它们发生干涉。干涉图案包含有关混合物加速度的宝贵信息，科学家可以从中提取两个物种是否经历了相同的重力加速度。

该技术的一个限制因素是激光束和原子样品的位置重叠程度。 “这是最棘手的部分，”穆勒强调。一个问题是国际空间站的振动会导致激光系统振动，从而将相位噪声引入系统。另一个问题是，两种物质的不同质量和原子能级结构导致它们对振动噪声的响应不同，从而在两个原子干涉仪之间产生相移。

在最新的工作中，科学家们演示了混合物的同步原子干涉测量，并测量了铷原子和钾原子干涉图案之间的相对相位。然而，他们很清楚，这样的阶段很可能是由于他们正在解决的噪声源，而不是违反了 EPP。

未来的使命

一个新的科学模块被发射到国际空间站，其目标是增加原子数、改进激光源并在实验序列中实施新算法。但从根本上说，CAL 科学家正在努力展示超越当前技术水平的惯性精密测量。汉诺威的研究人员表示：“这些认识是未来卫星任务的重要里程碑，将自由落体的普遍性测试到前所未有的水平。” 纳瑟尔·加鲁尔，最近论文的合著者。

玻色-爱因斯坦凝聚态是在国际空间站上制造的

Gaaloul 提到的一个例子是 STE-QUEST（时空探索器和量子等效原理空间测试）提案，该提案对小至 10 的加速度差异很敏感 ^{- 17} 女士²。这种精度相当于放下一个苹果和一个橙子，一秒钟后测量它们在质子半径内的位置差异。众所周知，太空是困难的，但太空中的原子干涉测量更加困难。

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/space-borne-atoms-herald-new-tests-of-einsteins-equivalence-principle/