实验捕捉自由落体原子寻找暗能量引起的引力异常

暗能量——一种以不断增加的速度推动宇宙膨胀的神秘力量——于26年前被发现，从那时起，科学家一直在寻找导致宇宙膨胀的新奇粒子。

为了进一步拓展这一研究的边界，加州大学伯克利分校的物理学家们现在已经建立了迄今为止最精确的实验，以寻找与公认引力理论的细微偏差，这些偏差可能是这种粒子存在的证据，理论家们将其称为变色龙或对称粒子。研究结果发表在2024年6月11日的《自然物理》杂志上。

该实验将用于精确重力测量的原子干涉仪与将原子固定到位的光学晶格结合起来，使研究人员能够将自由落体的原子固定数秒而不是数毫秒来寻找引力效应，比目前最精确的测量方法高出五倍。

尽管研究人员发现的现象与艾萨克·牛顿400年前提出的理论的预测并无偏差，但实验精度的预期提高最终可能会找到支持或反驳由变色龙或对称粒子介导的假设第五种力的理论的证据。

加州大学伯克利分校物理学教授霍尔格·穆勒表示，晶格原子干涉仪能够将原子保持长达70秒(可能长达10倍)的能力也为在量子层面探测引力提供了可能性。尽管物理学家已经提出了经过充分检验的理论来描述自然界四种力中的三种(电磁力、强力和弱力)的量子性质，但引力的量子性质从未得到证实。

“大多数理论家可能都同意引力是量子的。但从来没有人见过它的实验证据，”穆勒说。

“甚至很难知道引力是否是量子的，但如果我们能比其他任何人将原子保持更长时间20或30倍，因为我们的敏感度呈指数级增长，那么我们就会有400到800,000倍的机会找到引力确实是量子力学的实验证据。”

除了精确测量重力之外，晶格原子干涉仪的其他应用还包括量子传感。

“原子干涉测量法对重力或惯性效应特别敏感。你可以制造陀螺仪和加速度计，”加州大学伯克利分校博士后研究员、论文第一作者克里斯蒂安·潘达(CristianPanda)表示。“但这为原子干涉测量法开辟了新方向，重力、加速度和旋转的量子感应可以通过将原子置于光学晶格中紧凑封装来实现，这种封装对环境缺陷或噪声具有弹性。”

由于光学晶格将原子牢固地固定在适当位置，晶格原子干涉仪甚至可以在海上操作，在海上可以使用灵敏的重力测量来绘制海底地质状况。

掩护部队可以隐藏在众目睽睽之下

1998年，两支科学家团队发现了暗能量：一组是劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家，由现任加州大学伯克利分校物理学教授索尔·珀尔穆特(SaulPerlmutter)领导;另一组是天文学家，其中包括加州大学伯克利分校的博士后研究员亚当·里斯(AdamRiess)。两人因这项发现共同获得了2011年诺贝尔物理学奖。

宇宙膨胀速度快于正常速度的认识源于对遥远超新星的追踪，以及利用它们测量宇宙距离。尽管理论家们对究竟是什么推动空间分离做出了许多猜测，但暗能量仍然是一个谜——一个大谜，因为宇宙中大约70%的物质和能量都以暗能量的形式存在。

一种理论认为，暗能量只是宇宙的真空能量。另一种理论认为，暗能量是一种被称为“精髓”的能量场，会随着时间和空间的变化而变化。

另一种观点认为，暗能量是第五种力，比引力弱得多，由一种粒子介导，这种粒子产生的排斥力随周围物质的密度而变化。在太空中，它会在很远的距离上产生排斥力，能够将空间推开。在地球实验室中，由于周围都是物质作为保护，这种粒子的作用范围非常小。

这种粒子被称为“变色龙”，就好像它藏在显而易见的地方一样。

2015年，穆勒改装了一台原子干涉仪，将铯原子发射到真空室中，模拟太空的空虚，寻找变色龙的证据。

在原子在一个沉重的铝球上方上升和下降的10到20毫秒内，他和他的团队没有检测到与球体和地球的正常引力预期的偏差。

使用自由落体原子测试重力的关键是能够将每个原子激发到两种状态的量子叠加中，每种状态的动量略有不同，使它们与头顶悬挂的重钨重物之间的距离不同。动量越大、高度越高的状态对钨的引力越大，从而改变其相位。

当原子的波函数坍缩时，物质波两部分之间的相位差就会显露出它们之间的引力差异。

“原子干涉测量法是利用粒子量子特性的艺术和科学，也就是说，粒子既是粒子又是波。我们将波分开，这样粒子就会同时走两条路径，然后在最后使它们发生干涉，”穆勒说。

“波可以同相叠加，也可以异相相互抵消。关键在于，它们是同相还是异相，非常敏感地取决于你可能想要测量的一些量，例如加速度、重力、旋转或基本常数。”

2019年，穆勒和他的同事增加了一个光学晶格，使原子在更长的时间内(惊人的20秒)保持在钨重物附近，以增加重力对相位的影响。光学晶格采用两束交叉的激光束，形成一个晶格状的稳定位置阵列，让原子聚集，悬浮在真空中。但他想知道20秒是极限吗?

在新冠肺炎疫情最严重的时候，Panda不知疲倦地努力延长停留时间，系统地修复了40个可能出现的障碍，直到确定由振动引起的激光束摆动倾斜是一个主要限制因素。

通过在共振室内稳定光束，并将温度调整得稍微低一些——在这种情况下，温度低于绝对零度以上百万分之一开尔文，或比室温低十亿倍——他能够将保持时间延长至70秒。

引力纠缠

在最新报道的重力实验中，潘达和穆勒用更短的2秒时间换来了波包分离度的增大，达到几微米，即几千分之一毫米。每次实验的真空室中大约有10,000个铯原子，这些原子分布过于稀疏，无法相互作用，它们被光学晶格分散成每个原子约10个的云。

潘达说：“引力试图以比钨块吸引力强十亿倍的力量将它们向下推，但光学晶格却能提供恢复力，就像一个架子一样支撑着它们。”

“然后，我们将每个原子分成两个波包，这样它就处于两个高度的叠加状态。然后，我们将这两个波包中的每一个波包放入单独的晶格位置，即单独的架子上，这样它看起来就像一个橱柜。当我们关闭晶格时，波包会重新组合，并且可以读出在保持期间获得的所有量子信息。”

潘达计划在亚利桑那大学建造自己的晶格原子干涉仪，他刚刚被任命为​​该校的物理学助理教授。他希望利用它更精确地测量引力常数等，该常数将引力与质量联系起来。

与此同时，穆勒和他的团队正在从头开始建造一台新型晶格原子干涉仪，它具有更好的振动控制和更低的温度。新设备可以产生比当前实验好100倍的结果，灵敏度足以探测引力的量子特性。

如果计划中的引力纠缠检测实验成功，将类似于已故的斯图尔特·弗里德曼和前博士后研究员约翰·克劳泽于1972年在加州大学伯克利分校首次演示的光子量子纠缠。克劳泽因这项工作而共同获得了2022年诺贝尔物理学奖。

重力论文的其他合著者包括加州大学伯克利分校的研究生MatthewTao和前本科生MiguelCeja、费城宾夕法尼亚大学的JustinKhoury和意大利佛罗伦萨大学的GuglielmoTino。