原子干涉仪检验等效原理

课题背景

弱等效原理（即自由下落普适性）是指对于所有物体，不管其结构或者组成如何，在引力场中均以相同的加速度自由下落，它是爱因斯坦等效原理的三个基础假设之一，而爱因斯坦等效原理是建立广义相对论的基石。广义相对论是目前描述引力相互作用最为成功的理论，但将引力与其它三种基本相互作用统一却遇到了困难，许多试图将引力量子化的理论模型都预言了弱等效原理的破缺。此外，广义相对论在解释暗物质和暗能量时也遇到了挑战，一些试图解决这一难题的修正引力理论也都需要弱等效原理的破缺。最后，以上相关理论预言的弱等效原理破缺精度也各不相同。可见， 弱等效原理是涉及引力相互作用基本的物理问题，其破缺与否，或在什么样的精度下破缺，都只能由高精度的实验进行检验。更高精度的实验检验预示着新物理的探索或发现成为可能。

研究进展

图1 不同自旋原子等效原理检验原理

针对“不同物体在引力场中是否同时落地？”这一基本问题，本课题组提出“不同自旋取向的原子在引力场中是否同时落地？”这一开放科学问题，并利用冷原子检验了这一新型等效原理。通过量子态的精密操控将冷原子自旋取向极化，并采用原子干涉法测量不同自旋取向的原子下落的加速度差。

实验结果表明，在1.2╳10^-7水平上，微观原子自旋取向相关的等效原理依然成立，并首次给出了时空挠率梯度的上限为5.4╳10^-6m^-2[Phys. Rev. Lett.117, 023001(2016)]。该研究结果为研究引力和自旋相互作用、探测时空挠率特性以及开展自旋极化冷原子精密测量打开了新窗口。本研究成果发表于Physical Review Letters上，受到相关科研领域的关注，相关报道见诸部分顶级期刊杂志中（如图2所示）。

图2 科学杂志对本研究成果的相关报道