基于精密测量物理的引力及相关物理规律研究

项目名称：基于精密测量物理的引力及相关物理规律研究首席科学家：罗俊华中科技大学起止年限：2010年1月-2014年8月依托部门：教育部一、研究内容1、本项目主要研究内容本项目基于精密扭秤和激光干涉精密测量实验技术和原子干涉仪为公共研究平台，对现有引力理论的基本假设和定律进行更加精密的检验，并为大统一理论的发展提供实验依据。主要研究内容有：探索引力相互作用的基本性质的实验研究、弱力测量技术研究以及背景环境物理场研究。1).探索引力相互作用基本性质的实验与理论研究：实验研究利用精密扭秤和冷原子/离子/分子干涉作为微弱相互作用的测量手段，并通过巧妙与优化的实验设计，进行万有引力常数G精确测量、近距离牛顿反平方定律实验检验、等效原理检验（包括扭秤方案、冷原子方案、旋转冷分子方案）、精细结构常数α确定等实验研究。相关理论研究深入研究相关的引力理论及其预言的物理效应，如：有挠力场的物理效应、额外维理论、近距离作用程牛顿反平方定律的偏离、宏观物体旋转是否会影响等效原理的成立等。依据实验结果对这些理论预言进行验证，同时根据理论预言，改变实验条件进一步检验这些效应，为最终统一四种基本相互作用提供可能的实验依据。2).弱力测量技术研究：精密扭秤特性研究精密扭秤是地面灵敏度最高的弱力检测工具之一，它被广泛应用于万有引力等微弱相互作用的精确测量以及材料特性的研究等诸多研究领域。悬丝扭转弹性系数K与扭秤系统的品质因素Q的比值K/Q是衡量扭秤系统灵敏度的典型参数。因此对悬丝扭转弹性系数K的特性研究（非线性、热弹性、滞弹性、老化等）和寻找提高扭秤Q值的有效方法将是本项目中共性关键技术之一。高精度喷泉式原子干涉仪技术研究包括双组份原子同步干涉仪方案、高束流原子束的产生、超高真空系统的获得与测量、磁光阱与冷原子相干加速、光脉冲的整形与控制、磁场屏蔽问题、原子之间碰撞可能引起的光频移问题、干涉过程中原子团的时间同步问题、原子团质心起始位置的重合问题、地基震动的主动隔离与反馈控制、信号测量与系统控制等。囚禁离子精密谱研究包括利用微型非标准的Paul(射频)阱囚禁轻离子Li+，Li+冷却，探测激光的稳频和超窄线宽的实现，离子精密谱的极限突破，各种环境以及激光和场效应的影响等。极性分子冷却囚禁和高速定向转动研究包括考虑高速定向转动时分子的有效冷却方法，极化的电磁场与极性冷分子相互作用，极性分子MHz~GHz量级定向转动方法，超冷分子高速转动时的物理效应，检测分子转动状态的可能途径，光晶格中高速旋转冷分子Bloch振荡等。精密传感技术研究引力实验研究涉及到长度、位移、质量以及时间等物理量的精确测量。对这些物理量进行测量的精度水平，在很大程度上影响着物理实验的最终精度。我们将根据引力实验的具体特点，开展高精度角位移传感、相对位置的非接触测量、激光微位移传感、激光外差干涉等技术的深入研究。微弱信号的数据处理方法研究借用现代数字信号处理方法，同时考虑系统动态特性与实验数据自身的特点，研究高精度特征信号提取的方法。3).背景物理场研究：外界引力场、电磁场、温度场以及振动等背景物理场将对扭秤系统产生影响。一方面，研究精密扭秤对这些背景物理场响应的机理，寻找减小这些效应对实验系统耦合的优化实验设计，抑制背景物理场对扭秤系统的影响；另一方面通过调节背景场的大小，研究精密扭秤对背景场的依赖关系。然后对实验背景场进行同步监测，并和实验数据进行相关分析，扣除背景场影响，进一步提高实验精度。2、本项目拟解决的关键科学问题1）万有引力常数G的精确测量万有引力常数G是目前精度最差的基本物理常数。近十年来，尽管国际上几个实验小组都认为自己的测G实验达到了5×10-5（50ppm）数量级的相对精度，但事实上各小组之间测量结果的吻合度仅达到200ppm水平。这进一步说明万有引力常数G的测量是一项极其复杂和艰巨的工作，并暗示在已给出的测G结果中，可能存在未被认识的系统误差，或者万有引力定律本身需要修正。2）近距离牛顿反平方定律实验检验牛顿反平方定律在天文尺度上出现广义相对论的修正，但是在介观或者微观尺度上会出现什么样的修正至今尚不清楚。20世纪后半叶，科学家们开始关注引力常数随时空的变化以及与万有引力有关的一些反常现象，人们对牛顿反平方定律的正确性进行了一系列的实验检验。目前，虽然实验上已经排除了ADD模型预言的两个空间额外维（对应于亚毫米作用程），但是在更近距离上的理论模型仍然相当丰富，更高精度和更近距离的实验检验将为统一场论的进一步发展提供直接的实验支撑。3）基于精密扭秤技术、冷原子干涉仪技术、和旋转冷分子的等效原理实验检验等效原理最早由伽利略提出，经牛顿等人进一步明确表述后，爱因斯坦将等效原理作为广义相对论的一个基本假设。事实上，等效原理并不适用于其它相互作用，它是爱因斯坦广义相对论独有的一个初始假设。几乎所有试图将引力和其它相互作用统一的理论都要求等效原理破缺。这也是为什么等效原理的实验检验被科学界所特别重视的原因之一。本项目拟采取三种不同的方式检验等效原理：采用基于精密扭秤技术和基于冷原子干涉仪技术分别从宏观和微观上检验等效原理是否严格成立；采用基于冷分子Bloch振荡技术检验旋转物体等效原理是否成立，即回答物质结构和组份相同、但是其转动状态不同的物体在引力场中下落是否也具有相同的加速度。4）Li+离子精密光谱与精细结构常数α确定由于Li+离子有与氦原子相似的能谱结构，理论上能谱可以高精度计算，实验上冷却及外场操控较He原子容易实现，因而是精密光谱研究和确定精细结构常数的优选体系。本课题拟利用囚禁冷却的单个Li+离子体系对2S-2P精细与超精细能级进行高精度测量，同时开展独立的束缚三体QED理论与计算。课题开展对轻离子的囚禁冷却机理、光谱技术发展、束缚态QED的独立检验和精细结构常数的独立确定有重要意义。拟研究内容包括：Li+离子的稳定囚禁和激光冷却机制与机理；光频跃迁频率的精确测量；库伦三体束缚态QED理论的高精度独立检验；Li+离子体系精密光谱测量结合QED理论计算确定精细结构常数。5）引力理论及相关内容研究当前的几个热点前沿方向包括宇宙学以及黑洞物理和量子信息，这些方向的研究对于认识物质世界的引力物理规律和人类的世界观有着重要的科学意义。围绕着暴涨和宇宙早期的一些困惑依然悬而未决。尽管人们已有了所谓的宇宙和谐模型：暴涨+大爆炸模型+暗物质+暗能量的宇宙模型，但是，暗物质的成份和性质是什么？暗能量的本质是什么？这些基本问题仍有待人们来回答。自上世纪七十年代以来，人们逐渐发现黑洞像一个普通的热力学体系，其质量、温度、熵等热力学量满足热力学第一定律；黑洞也满足其他的几个热力学定律。时空的动力学（引力）和热力学定律存在本质的联系吗？当前的成果暗示了引力理论和热力学理论存在深刻的内在联系，这一内在联系应当与引力的本质和它的全息性质有关。在其它引力背景中这种引力的全息图是如何实现的？相对应的非引力理论应该具有什么性质？量子纠缠是被看作实现各种量子信息过程及协议的一种资源，已经成为量子力学许多基础工作的中心。当量子系统存在多粒子时，量子纠缠就会呈现一个很重要的特征即相对性。量子隐形传态在实验上的实现，不仅使人们确信量子纠缠在量子通讯及量子计算中所扮演的关键角色，而且必将掀起一场新的信息技术革命，而且它所揭示的量子力学非定域性，也许正是弦理论或者量子引力理论所期待的。一个值得深入思考的问题是：能否在考虑一些特殊时空背景中量子超空间传态的基础上，给出各种时空参数对量子通讯的影响，甚至讨论弯曲时空中量子隐形传态的普遍规律？二、预期目标本项目的总体目标：利用精密扭秤和冷原子/离子/分子精密测量技术进行引力及其相关物理规律的研究，使我国在万有引力常数的测量、近距离牛顿反平方定律实验检验、等效原理实验检验、以及Li+离子精密光谱的精细结构常数α确定等基础前沿研究领域达到国际先进水平，并在宇宙学、量子信息等理论方面取得积极进展，同时培养一批优秀的中青年实验物理科学工作者。五年预期目标：1．采用扭秤周期法和角加速度法两种方法分别将万有引力常数G的测量精度提高到25ppm左右的水平，寻找两种方法中可能存在的系统误差，进一步巩固我国在此领域的地位；2．利用精密扭秤在毫米到微米作用程范围检验牛顿反平方定律，将目前国际上的该作用程的实验精度提高一个数量级，研究高维时空理论的可能推论；3．采用精密扭秤和信号调制方法，研究电荷管理的有效途径，解决背景引力场梯度的影响问题，在10-14数量级上检验弱等效原理是否成立；4．利用原子干涉仪精确测量不同质量的冷原子（如85Rb-87Rb、6Li-87Rb等）的重力加速度，并在10-10~10-13的实验精度上验证弱等效原理；5．实现极性分子冷却囚禁，开展定向转动冷分子的Bloch振荡前期研究，为开展旋转冷分子等效原理实验检验进行探索研究；6．实现飞秒光学频率梳对囚禁冷却Li+离子2S-2P精细能级跃迁频率的精确测量，相对精度达到10-8；开展独立的束缚三体QED理论与计算，理论计算能级精度达到10-8;理论与实验相结合确定精细结构常数，精度达到10-8；7．在宇宙学、弯曲时空中量子纠缠等理论研究中取得积极进展。三、研究方案本项目的基本出发点是寻找新的相互作用，开展引力基本规律和QED理论检验。在引力基本规律研究中，进行万有引力定律和等效原理的实验检验。对万有引力定律的检验包括两个方面：分别是进行万有引力常数G的精确测量和近距离牛顿反平方定律的实验检验。在等效原理的实验检验中，分别通过精密扭秤、冷原子自由落体和旋转冷分子三种方式进行实验检验。另外拟通过对Li+离子的精密光谱测量开展关于束缚态QED理论的实验检验，进行精细结构常数α的测量。项目的六个课题之间的关系如图1所示，项目的科学目标是寻找可能存在的新的相互作用，为“大统一”理论提供实验依据，课题的理论研究围绕当前该领域的热点和基础前沿问题，为后期引力实验的发展方向提供指导。图1课题间研究内容关系示意图1学术思路瞄准基础物理学研究中最前沿最根本的问题，预期研究结果有可能对物理学产生重大影响：本项目重要特色是它的基础性，前沿性和交叉性。理论物理学的目标之一是建立一个统一四种基本相互作用的大统一理论，以解释宇宙万物的运行规则。目前，统一场论的核心问题是时空必须被量子化，但我们对于量子时空的真正物理内涵并不清楚。人们普遍认为有必要对引力相互作用的基本性质进行更深入的研究，从而促进引力理论自身和大统一理论的发展。2技术途径本项目实施的技术思路是基于精密扭秤和冷原子两个技术平台进行精密测G的精确测量近距离ISL检验精密扭秤WEP冷原子WEP旋转冷分子EPLi+离子α测量束缚态QED引力相互作用电磁相互作用寻找新的相互作用万有引力定律等效原理课题1课题2课题4课题5课题6课题3量物理的实验研究（六个课题之间的关系如图2所示），在精密扭秤平台上开展三个方面的课题研究，分别是：万有引力常数G的精确测量，近距离牛顿反平方定律的实验检验，以及基于精密扭秤的弱等效原理实验检验。基于冷原子干涉技术平台开展：冷原子和旋转冷分子等效原理检验，以及基于Li+离子的精密光谱测量的精细结构常数测量。两个平台分别从宏观和微观上对引力及相关物理规律进行实验检验，两个平台的联系在于：分别通过宏观的精密扭秤和微观的冷原子干涉技术对弱等效原理的检验，并相互验证。项目的技术目标是希望能够推动我国精密测量物理学科的发展。图2课题实施的技术思路示意图各课题分别以精密扭秤和冷原子/离子/分子精密测量为公共技术平台，相互之间从技术到科学内涵形成有机的整体：基本物理量测量教育部重点实验室长期从事静态引力实验和理论研究，已经初步建成的精密扭秤测量平台已经能够常年运行，并已在引力实验领域取得一些积极成果和重要进展。本项目将以此为基础，充分利用冷原子/离子/分子精密测量平台和改进的精密扭秤技术弱力测量平台，并进行实验环境背景场的长期检测与相关研究，以期建立更高精度的弱力测量技术平台，在此基础上完成各个实验课题的研究。3创新点与特色本项目的研究内容如万有引力常数的精确测量、等效原理