重力曲率的首次直接測量

圖片說明：（a）圖是實驗方案；（b）圖：沿著對稱軸(az)的重力加速，由質量源和地球重力梯度產生。圖片來源：Phys.Rev.Lett.114,013001

多年來，科學家已經開發出越來越復雜的測量重力的方法。其中一種最新的方法是原子干涉測量，它利用量子力學的原子波的自然屬性來工作，使得距離測量具有很高的精度。直到現在，根據幾英尺的高度就可以創建一個梯度，研究者已經能夠測量重力隨高度的變化。在這項新的研究中，研究小組已經發現了測量大質量產生的重力變化的方法。這種梯度變化也被稱為重力曲率。

為了直接測量梯度變化，研究小組在三種不同的高度進行測量。在彼此接近的兩個位置測量重力，可通過兩部分的測量差除以兩點之間的距離得到梯度。在三個位置測量重力，能夠用於計算變化率，或者叫做曲率。這一測量方式的實驗思路是在2002年被首次提出，而研究小組正是基於這個思路在意大利實施實驗。

為了能同時在三個位置測量重力，研究小組在一米長的管道內的三個不同高度處，創建了三組超冷原子。管道內的上半部分頂端被鎢合金所包圍，用以引起重力場變化的增加。原子被激光脈沖照射，以使他們分離為兩部分，一部分用於吸收光子，另一部分則保持為基態。附加的動能使得第一組原子在經過一個測量周期後，降落不同的距離，從而導致兩者之間量子波周期的不同。隨後，研究小組增加了兩種更強的波脈沖，以驅使兩組原子進行重組，從而使之能夠互相干涉。這些干涉測量，能夠計算重力加速和曲率的變化，預估值是1.4×10⁻⁵s⁻²m⁻¹。

研究小組認為，他們的方法不僅能應用於地質測繪工作，而且也能改善重力測量。