加州大学伯克利分校物理学家在暗能量研究中取得新进展

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2024年6月26日，加州大学伯克利分校（2024USNews美国大学排名：15）的物理学家们利用一种新型的高精度仪器，进一步缩小了对暗能量的搜索范围。暗能量是一种推动宇宙以越来越快速度膨胀的神秘力量。研究人员通过将铯原子固定在垂直真空腔中，并将每个原子分裂成量子态，测量原子波函数两部分之间的相位差，从而计算出引力吸引力的差异。尽管实验结果与牛顿引力理论一致，但未来实验精度的提高可能会支持或反驳假设的第五种力的理论。该实验还展示了光学晶格原子干涉仪在量子重力探测中的潜力。

加州大学伯克利分校的物理学家们在2024年6月26日进行的这一实验，标志着科学界在探索暗能量和宇宙膨胀方面迈出了重要一步。暗能量自1998年被发现以来，一直是科学家们研究的热点。它被认为占据了宇宙总能量的68.3%至70%，但其本质仍然是一个谜。通过使用新型高精度仪器，伯克利的研究团队希望能够揭示更多关于暗能量的秘密。

暗能量的发现可以追溯到20世纪初。1912年，美国天文学家亨丽埃塔·斯旺·莱维特通过对造父变星的研究，首次提出了宇宙膨胀的概念。1929年，埃德温·哈勃通过红移现象确认了这一理论。1998年，两组天文学家通过观测超新星，发现宇宙膨胀速度在加快，这一发现使他们获得了2011年诺贝尔物理学奖。尽管科学家们提出了几种可能的解释，包括真空能量、第五元素（Quintessence）、宇宙结构缺陷和广义相对论的缺陷，但暗能量的本质仍未明。

在此次实验中，研究人员利用原子干涉仪和光学晶格，将铯原子固定在真空室中，通过测量原子波函数的相位差，计算出引力吸引力的差异。尽管实验未发现偏离牛顿引力理论的现象，但未来更高精度的实验可能会支持或反驳假设的第五种力。该研究成果发表在2024年6月11日的《自然物理学》上。

铯原子在垂直真空腔中的量子态分裂是此次实验的关键。NIST的铯喷泉原子钟是美国的主要频率标准，位于科罗拉多州博尔德的NIST实验室。NIST-F1是从2000年到2015年运行的主要频率标准，而NIST-F2是一个低温铯喷泉。当前，NIST操作两个铯喷泉，分别是NIST-F3和NIST-F4。NIST-F4是NIST-F1设备的升级版，正在评估中，预计其准确度将接近10^-16。NIST-F3则是一个稳定的频率参考系统，主要用于NIST时间尺度的稳定性评估。NIST-F3的频率偏移和稳定性已被初步评估，其长期稳定性比氢微波激射器高出约100倍。铯喷泉原子钟通过激光冷却和喷泉设计，实现了比传统原子钟更长的观察时间和更高的准确度。自1967年以来，铯的超精细分裂共振频率定义了一秒。NIST的铯喷泉原子钟的测量不确定性已提高了一个数量级，下一代原子频率参考预计将达到10^-18的分数不确定性。

光学晶格原子干涉仪在量子重力探测中的潜力也是此次实验的重要发现之一。2024年6月26日，《自然》杂志发表了一篇关于使用光学晶格原子干涉仪测量引力的文章。尽管引力在大尺度上是自然界的主导力量，但在精密实验室实验中仍然相对难以捉摸。原子干涉仪是研究地球引力、引力常数、偏离牛顿引力和广义相对论的强大工具。然而，使用自由下落的原子将测量时间限制在几秒钟内，而在测量小源质量的相互作用时则更短。最近，研究人员展示了在光学腔滤波的光学晶格模式中悬浮70秒的原子干涉仪。然而，光学晶格必须通过施加比假定信号强十亿倍的力来平衡地球引力，因此即使是微小的缺陷也可能产生复杂的系统效应。因此，晶格干涉仪尚未用于精密的引力测试。本文优化了晶格干涉仪的引力灵敏度，并使用信号反转系统来抑制和量化系统效应。研究人员测量了微型源质量的引力吸引力，结果为33.3±5.6stat±2.7syst nm/s²，与牛顿引力一致，排除了“屏蔽的第五力”理论。总体精度为6.2 nm/s²，比使用自由下落原子的最佳类似测量高出四倍以上。改进的原子冷却和倾斜噪声抑制可能进一步提高对亚毫米范围内力的研究、紧凑型重力测量、引力阿哈罗诺夫-玻姆效应和引力常数的测量，以及测试引力场是否具有量子特性。

未来的实验将继续探索暗能量和假设的第五种力。尽管此次实验结果与牛顿引力理论一致，但随着实验精度的提高，科学家们有望揭示更多关于宇宙膨胀和暗能量的秘密。NASA也在通过欧几里得任务、南希·格雷斯·罗曼太空望远镜和詹姆斯·韦伯太空望远镜等项目进一步研究暗能量。这些项目将为科学家们提供更多的数据和工具，以便更好地理解宇宙的本质。

总的来说，加州大学伯克利分校的这一实验不仅展示了光学晶格原子干涉仪在量子重力探测中的潜力，还为未来的研究提供了重要的基础。随着技术的不断进步，科学家们有望在不久的将来揭示更多关于暗能量和宇宙膨胀的奥秘。这一发现不仅对物理学界具有重要意义，也将对我们理解宇宙的本质产生深远影响。