【基金标书】2010CB832800-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 MHzGHz 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 510-5（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 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 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 10-1010-13 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 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。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。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+离子测量精密扭秤 冷原子精密测量物理课题1 课题2 课题4 课题5 课题6 课题3宏 观 微 观图 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、等效原理与额外维时空实验检验都直接关系到广义相对论的理论基础，而宇宙学、弯曲时空中量子纠缠等理论研究则是当前该领域的热点和基础前沿问题，涉及到引力理论、量子场论、超弦理论、宇宙学、基本粒子物理等许多学科。 创新之 处在于从微观、宏观、宇观不同尺度的物理规律来理解我们的自然。研究的目标是针对引力的本质、时空的结构、真空的性质和宇宙的演化模型等基本问题。4 可行性分析本项目是以建立弱力测量平台为基础，开展引力与相关物理规律的检验研究，由基本物理量测量教育部重点实验室（华中科技大学）主持实施。项目的目标是针对广义相对论与量子场论中的基本物理定律，进行深入的实验和理论研究。华中科技大学的引力实验与理论研究群体自 1983 年以来一直从事以静态引力实验为主的精密测量研究工作，在引力物理实验和相关物理量精密测量领域积累了丰富的经验，取得了一些重要研究成果。这些相关研究工作基础和山洞实验条件，为我 们开展本项目研究提供了基本的保证。冷原子引力实验依托中国科学院武汉物理与数学研究所波谱与原子分子物理国家重点实验室，开展了小型喷泉式干涉仪的前期实验工作，在重力加速度精密测量与喷泉式 Rb 原子干涉仪的研究方面取得了阶段性进展。前期相关研究工作的积累为本项目科学目标的实现提供了有力支撑。四、年度计划年度 研究内容 预期目标第一年1）进行各实验课题的方案设计与数学建模； 2）扭秤周期法测 G 实验扭秤系统加工，分别采用光学干涉方法和精密天平检验扭秤和吸引质量的密度均匀性，各种背景场调制实验， 给出扭丝对各种背景场变化的响应关系；3）毫米作用程和亚毫米作用程牛顿反平方定律检验实验，扭秤等效原理实验检验中扭秤系统加工；4）建立囚禁 Li+离子系统，搭建真空系统和线形离子阱，1097nm 激光倍频 548.5nm 激光的倍频腔设计、加工、安装和调试，QED 修正领头项（3）的独立 计算；5）石英丝的紫外放电现象与相关问题研究，等效原理实验环境重力梯度对旋转扭秤系统的影响研究，给出扭摆与检验质量的最优化配置；6）完善高精度喷泉式原子干涉仪单元技术，调研并分析暴涨宇宙模型及相关的物理问题，探索自引力体系平衡态的定义；7）分子冷却方法论证，极性分子 mK量级减速冷却实验设计，实验真空系统、光学系统等平台建设。1）完成各实验的方案设计与数学建模，给出实验的优化配置；2）吸引质量球直径测量精度达到 0.3微米，提交周期法测 G 实验 中各种背景场调制实验报告；3）毫米作用程和亚毫米作用程牛顿反平方定律检验中扭秤的牛顿引力矩变化小于 510-18Nm 的设计报告；4）建立离子阱系统，建立 548.5nm 激光倍频系统，完成 QED 修正领头项的独立理论推导与计算，数值计算精度提高两个量级。5）等效原理实验扭摆与检验质量的最优化配置分析报告；6）建成高精度原子干涉仪实验平台，在 Boltzmann-Gibbs 熵的有效性的研究方面取得初步成果；7）提交分子冷却方法论证报告和 mK量级减速冷却实方案论证报告。第二年1）扭秤实验环境背景引力场补偿，扭秤课题实验装置整体调试；2）进行周期法测 G 实验完整过程，角加速度法测 G 吸引质量支架加工，小型自准直仪设计与研制；3）毫米作用程范围（MISL）牛顿反平方定律的实验检验；4）建立 548.5nm 激光稳频的基本系统，研制 548.5nm 窄线宽 激光系统，开展 Li+离子的囚禁和冷却实验， 继续张-Drake 理 论和 Pachucki 的理论的重新推导和验证；5) 4 阶相对论和 QED 修正中的独立数值计算 5）进行静态扭秤方案等效原理的实验检验，扭秤系统运动的预先补偿反馈控制；6）分析与评估各单项噪声源对重力加速度测量精度的影响，建立可能的暴涨宇宙模型；7）mK 量级冷却实验研究，冷分子定向高速转动时的电磁辐射、转动分子间的相位相干性等物理效应研究。8）项目中期总结1）给出扭秤周期法测 G 实验初步结果，角加速度法测 G 实验 中自准直仪角度测量分辨率达到 10-7rad。2）毫米作用程范围（MISL）牛顿反平方定律的实验检验达到预期目标;3）实现 Li+离子的囚禁和冷却，完成独立理论推导 80%的工作和 4 的独立数值计算，2S-2P 跃迁频率计算相对精度达到 10-7。4）课题中期总结报告。4）实现扭秤系统运动的预先补偿反馈控制；5）提交各单项噪声源对重力加速度测量精度报告，建立可能的暴涨宇宙模型，在平均场近似下给出可能的短程力的形式。6）完成极性分子 mK 量级冷却初步实验，提交 量级水平初步冷却实K验报告；7）项目中期总结报告。第三年1）周期法测 G 实验中扭丝滞弹性效应实验，实验数据积累；角加速度法测 G 实验中两个转台性能测试，吸引质量定位测量；2）亚毫米范围（IISL）牛顿反平方定律的实验检验力矩探测本领达到210-17Nm 水平，微米范围（CISL）实验设计和扭秤电荷管理方案设计。3）囚禁离子微运动的影响与评估，囚禁离子的外电、磁场效应的测量，张-Drake 理论 和 Pachucki 的理论高阶 5阶 修正的独立推导和 5log阶 QED 修正数值计算；4）进行等效原理旋转扭秤方案的实验检验，环境背景监测研究；5）重力加速度测量系统误差的分析与评估，重力精密测量的关键实验技术研究，研究原初扰动产生的物理机制，探索其可能的观测信号；6）采用微波场驱动极性分子 MHz 量级定向转动实验研究，用于驱动分子高速转动的飞秒脉冲激光系统和分子转动探测系统研制。1）给出周期法测 G 实验正式结果，相对精度达到 25ppm，角加速度法测 G 实验球位置测量精度达到0.5m，单个转台转速稳定性达到 10-7rad/s；2）完成亚毫米作用程范围（IISL）牛顿反平方定律的初步实验检验；3）完成影响囚禁离子光频测量的微运动、外场和环境效应的测量与评估，完成全部 QED 理论推导，得到全部5阶 修正等效算子；4）等效原理的实验检验达到 10-13 数量级；5）利用冷原子干涉仪实现重力加速度的精确绝对测量，测量精度优于10-8，初步建立起暗物质自引力体系平衡态的统计物理理论；6）实现分子 MHz 量级定向转动，完成激光系统、分子转动探测、 光晶格系统。第四年1）角加速度法测 G 数据处理方法研究，双转台跟踪控制调试，进行角加速度法测 G 初步实验；2）亚毫米作用程范围（IISL）牛顿反平方定律的实验检验，微米范围（CISL）电荷管理的实验研究；3）利用飞秒光梳测量 Li+离子的23S1-23P 跃迁频率，研究各种物理效应对 23S1-23P 跃迁的影响，实现外界电磁场的精确控制， 5阶 QED 修正的数值计算；4）降低扭秤的结构阻尼研究，提高回转台的转动稳定性和转动精度，降低倾斜误差，等效原理的旋转扭秤方案的实验检验；5）采取下落和上抛方案开展 6Li-87Rb原子干涉仪实验，开展利用双组份原子干涉仪实验研究，在理论上研究暗物质和暗能量的场论模型；6） 量级水平超冷分子的实验研究，K分子冷却温度、分子数目探测；采用高功率飞秒脉冲激光驱动超冷分子 GHz 水平定向 转动实验 研究；1）角加速度法测 G 实验两个回转台角加速度差稳定性达到 10-12rad/s2，给出角加速度法测 G 初步实验结果。2）亚毫米作用程范围牛顿反平方定律的实验检验达到预期目标；3）初步测量 Li+离子 23S1-23P 跃迁的频率值，完成 5阶 QED 修正的数值计算；4）扭秤等效原理测量数据的随机误差、背景场残余重力梯度、回转台转动轴倾斜等误差小于 10-16 m/s2 量级；5）给出下落和上抛 6Li-87Rb 原子干涉仪等效原理初步实验结果，给出暗物质和暗能量的场论模型及其与已经发射的普朗克卫星的探测数据的比较结果；6）实现 量级水平超冷分子，实现K超冷分子 GHz 水平定向转动 ；第五年1）进行角加速度法测 G 正式实验的数据积累，实验数据的误差分析和测量精度的可靠性分析；2）微米作用程范围（CISL）牛顿反平方定律的实验检验，探讨可能的改进方案；3）Li+离子的 23S1-23P 跃迁 频率的精细测量和影响因数的分析，与实验数据联合确定精细结构常数；4）等效原理的旋转扭秤方案的实验检验；5）开展 85Rb-87Rb 和 6Li-87Rb 两种等效原理验证的实验研究和双组份比对实验，整理实验数据和理论研究结果，推广已经发展的平衡态的统计物理与动力学相结合，来解释数值模拟的有关结果；6）旋转冷分子 Bloch 振荡周期测量，旋转分子冷分子相干时间测量，进行不同转动状态下冷分子下落的加速度，检验旋转物体等效原理；7）项目总结。1）角加速度法测 G 实验正式结果，相对精度达到 25ppm。2）微米范围牛顿反平方定律的实验检验达到预期目标，提出近距离牛顿反平方定律实验检验的改进方案；3）精确的 Li+离子 23S1-23P 跃迁频率的测量值，相对精度达到 10-8，完成全部独立的 QED 计算和高阶相对论修正，光谱频率相对精度达到 10-8,结合实验确定精细结构常数，相对精度达到 10-8；3） 提交课题总结报告4）等效原理的实验检验精度达到 10-14 量级，提出等效原理检验的进一步改进方案；5）在实验室实现原子高精度（10 -13）检验弱等效原理，完成基于统计物理与动力学对数值模拟的解释；6）完成 Bloch 振荡周期测量，给出旋转冷分子自由下落加速度，给出不同转动状态下落加速度差别。7）提交项目总结报告。