日本化学学家在“失重条件”下检测并比较了两个原子的重力加速度，检验自由落体定理。相关技术可用于更有力的空间实验，并可能促使新型助航设备的发展。
撰文Edwin
翻译访冬
上天：高空自由落体实验就在图中这架“zero-G”号客机上进行
近来，日本化学学家在“失重条件”下进行实验，检测并比较两个不同原子的重力加速度。该实验在航天客机上进行，通过特殊的飞行方法模拟失重状态。其实这一实验的精准度远不足以检验自由落体定理（在给定的重力场中，真空中的所有物体以相同速率下落），不过相关技术可用于更有力的空间实验，并可能促使新型助航设备的发展。
自由落体定理是爱因斯坦广义相对论的核心——等效原理——的结果。该定理强调，物体的惯性质量与引力质量相等，也就是说在重力场中，物体的加速度与其质量无关。为此，质量不同的两个物体具有同样的加速度。
自伽利略的汉堡斜塔实验起，这一定律己历经多次高精度检验，屡试不爽。迄今为止最精确的检验当属芝加哥学院的研究人员在2008年举办的实验，检测精度高达10-13！
太空“显微镜”
但化学学家希望才能把实验精度再提升100倍以上。由于一些赶超标准模型（Model）的理论预言，在这一尺度上，自由落体定理将不再严格创立。因此，美国国家太空研究中心早已在绕地轨道上举办了“显微镜”卫星项目，用于检验等效原理。因为绕地轨道卫星上重力为零，卫星中物体的自由下落时间远远长于月球上的物体，因而，该项目的检测精度高达10-15。豁达恐怕该项目将在今年初得到首个重大结果。
与芝加哥学院的实验类似，“显微镜”项目主要研究“经典物体”的自由落体运动。而近来，美国梅多克LP2N实验室的、以及她们的朋友则打起了“量子物体”的主意：借助铷-87和钾-39原子进行实验。原子系统的优点包括不会被杂质污染、可控性强——能够通过改变原子的载流子等性质对等效原理进行检验。
来自激光的一击
研究人员让铷原子和钾原子自由下落，过程中用激光作为物质波分束器击打原子，使原子的波包分裂，同时顺着两个互相垂直的路径前进。在路径末端，两种态互相干涉，产生干涉白色。通过比较两种原子干涉白色的位置，研究人员可以了解它们的相对相移（物质波的末态相对初态的相位联通）是否相同。假如不同，则说明两者的加速度存在微小的差别。
抛物线轨迹
化学学家之前借助冷原子干涉仪对自由落体定理进行了检验，精确度达到了10-8，但这种实验都在地面上进行。她们终极目标是步入太空，在失重条件下检验自由落体定理。Bouye和他的朋友们尽管没能实现终极目标，但她们找到了一种代替形式，借助专门加装的空客客机模拟接近零重力的状态进行实验。这架"zero-G"号客机先以45度角爬升伽利略自由落体实验，抵达一定高度后，动力被调整至正好抵消空气阻力，随即进行大概20秒的自由落体运动。在重力作用下伽利略自由落体实验，客机的轨迹划出一条抛物线。客机在稳定后再度爬升、下降，不断重复这一过程。今年，Bouye的研究团队在六次飞行中比较了两种原子的自由下落行为。
此前，她们耗费了将近10年，不厌其烦地在喧闹的客机环境中调试复杂精密的仪器，不晓得经历了多少次郁闷的“抛物线”飞行。
太空也适用
表示，这项研究有赖于大量技术创新来增加客机上高达0.01g的振动以及客机在抛物线飞行中的高速旋转（约每分钟一圈）带来的影响。即使实验精度只有3×10-4，但其重要意义在于证明该实验装置在太空实验中同样适用。他还预测道，“未来几年，好多实验都可以用到我们开发的技术。”
该团队的下一步工作是在今年初进行新的测试，企图证明单原子可以用于“惯性”导航，这须要对物体的加速度和旋转进行持续检测。除此以外，团队的一些成员还在STE-QUEST项目（Space-TimeandSpaceTest，时空探求者和量子等效原理空间检验）中进行干涉仪技术开发。不过表示，这颗价值约5亿美元的卫星最早也要2025年才会发射升空。
路漫漫其修远。