1797年，英國科學家亨利·卡文迪許用鉛球、木杆和金屬絲製成的裝置測量了重力的強度。在21世紀，科學家們正在用更精密的工具做著非常相似的事情：原子。
重力可能是物理學入門課程中的早期主題，但這並不意味著科學家們沒有仍在嘗試以越來越高的精度來測量它。現在，一群物理學家已經使用時間膨脹——由速度增加或引力引起的時鐘變慢——對原子的影響做到了這一點。在1月13日線上發表在《科學》雜誌上的一篇論文中，研究人員宣佈他們已經能夠測量時空曲率。
這項實驗是稱為原子干涉學科學領域的一部分。它利用了量子力學的一個原理：正如光波可以表示為粒子一樣，粒子（例如原子）也可以表示為“波包”。正如光波可以重疊併產生干涉一樣，物質波包也可以。
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特別是，如果原子的波包被分成兩部分，允許進行某些操作，然後重新組合，那麼波可能不再對齊——換句話說，它們的相位發生了變化。
德國烏爾姆量子技術研究所的物理學家阿爾伯特·魯拉告訴 Space.com：“人們試圖從這種相移中提取有用的資訊。”魯拉沒有參與這項新研究。他撰寫了一篇“觀點”文章，評論這項新研究，該文章於今天在同一期的《科學》雜誌線上發表。
引力波探測器的工作原理與此類似。透過以這種方式研究粒子，科學家可以微調宇宙一些關鍵運作背後的數字，例如電子的行為方式以及重力的真實強度——以及它如何在相對較小的距離上微妙地變化。
斯坦福大學的克里斯·奧弗斯特里特和他的同事在這項新研究中測量的就是最後一種效應。為了做到這一點，他們創造了一個“原子噴泉”，它由一個33英尺（10米）高的真空管組成，頂部環繞著一個環。
研究人員透過向原子噴泉發射雷射脈衝來控制它。透過一個脈衝，他們從底部向上發射了兩個原子。這兩個原子到達不同的高度，然後第二個脈衝將它們擊落。第三個脈衝在底部捕獲原子，重新組合原子的波包。
研究人員發現，這兩個波包是異相的——這表明原子噴泉中的引力場不是完全均勻的。
“這……在廣義相對論中，實際上可以理解為時空曲率的影響，”魯拉告訴 Space.com，他指的是阿爾伯特·愛因斯坦最著名的理論之一。
由於較高的原子更靠近環，因此由於環的重力，它經歷了更大的加速度。在完全均勻的引力場中，這種效應會相互抵消。但這裡的情況並非如此；原子的波包反而是異相的，並且由於時間膨脹效應，經歷更大加速度的原子與其對應物的時間略有不同步。
結果是一個微小的變化，但原子干涉學足夠靈敏，可以檢測到它。魯拉告訴 Space.com，由於科學家可以控制環的位置和質量，“他們能夠測量和研究這些效應。”
儘管這項發現背後的技術——原子干涉學——可能看起來很神秘，但研究人員表示，原子干涉學有一天可能會被用於探測引力波，並幫助我們比 GPS 更好地導航。
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