科学家们首次在太空中进行原子干涉测量

为了对我们周围的世界进行一些最精确的测量，科学家们倾向于使用一种称为原子干涉术的技术，将测量范围缩小到原子尺度。

现在，科学家们首次使用专门设计用来将科学有效载荷携带到低地球空间中的探空火箭，在太空中进行了这种测量。对于从基础物理学到导航领域的科学应用，这是朝着能够在太空中执行物质波干涉测量法迈出的重要一步。

绝对零度附近玻色-爱因斯坦凝聚的计算机模型。

科研人员已经在探空火箭上建立了原子干涉技术的技术基础，并证明了这样的实验不仅可以在地球上进行，而且可以在太空中进行。

干涉测量是一个相对简单的概念。取两个相同的波，分离它们，重新组合它们，然后用它们之间的微小差异（称为相移）来测量产生这个距离的力。

这称为干涉图样。一个著名的例子是LIGO的光干涉仪，它测量引力波：一束光被分成两个数英里长的隧道，从镜子上反弹并重新组合。由此产生的干涉图样可以用来探测数百万光年外黑洞相撞产生的引力波。

原子干涉法利用原子的类波特性，实现起来有点困难，但有一个小得多的优点。它将在太空中非常有用，在太空中它可以用来测量像重力这样的物体，达到很高的精度；因此，一个德国研究小组多年来一直在努力实现这一目标。

第一步是创造一种叫做玻色-爱因斯坦凝聚态的物质状态。它们是由原子冷却到绝对零度以上的一小部分（但没有达到绝对零度，此时原子停止运动）形成的。这导致它们下沉到最低能量状态，移动极慢，并在量子叠加中重叠——产生一个高密度的原子云，就像一个“超级原子”或物质波。

这是干涉测量的一个理想起点，因为原子的行为都是相同的，该团队在2017年首次使用探空火箭，用铷原子气体，在太空中实现了玻色-爱因斯坦凝聚体的创造。

由此产生的干涉图显示了探空火箭微重力环境的明显影响，表明只要稍加改进，这项技术就可以用来高精度测量这种环境。

计划于2022年和2023年进行的下一步研究是再次尝试这项试验，使用单独的铷和钾的玻色-爱因斯坦凝聚体来观察它们在自由落体下的加速度。

玻色-爱因斯坦凝聚体中观察到的干涉图样

由于铷原子和钾原子的质量不同，研究人员说，这项实验将是对爱因斯坦等效原理的一个有趣的检验，爱因斯坦等效原理指出，无论物体本身的质量如何，重力对所有物体的加速都是相等的。

这个原理之前已经在太空中被研究过，等效原理是广义相对论的基石之一，而相对论往往在量子领域被打破，所以计划中的实验肯定会非常有趣。

在未来，这只会变得更加有趣。探空火箭以亚轨道飞行的方式上升和下降，但是有计划在地球轨道上进行更多的玻色-爱因斯坦凝聚实验。

对我们来说，这个超冷系统为原子干涉测量提供了一个非常有前途的起点。在下一步的研究中，他们必须分离并重组这些叠加的原子。再一次，研究人员创造出了他们的铷玻色-爱因斯坦凝聚体，但这次他们用激光照射气体，导致原子分离，然后重新叠加在一起。

在这种情况下，可达到的精确度不会受到火箭上有限的自由落体时间的限制。在短短几年内，我们就可以将原子干涉术应用于广义相对论的量子测试、探测引力波，甚至搜索暗物质和暗能量。我们迫不及待地想知道接下来会发生什么。

该研究成果发表在《自然通讯》杂志上。