原子干涉仪测量大G

测量万有引力常数大G是一个历史悠久的问题。卡文迪许在1798年做了扭称实验，高中物理课本上就介绍过。扭称实验也是目前测量大G的主要方法。华中科技大学小组测量的大G在国际上很有分量。另一个相关的重要常数是重力加速度（小g）。一般来说，这两个常数有联系，但是测量方法很不相同。朱棣文最先采用冷原子干涉仪来测量小g，目前原子干涉仪成为测量小g的一个非常重要的方法。但是我没想过还可以用干涉仪来测量大G。最近一期Nature上发表了一篇文章（Nature 510 518 （2014）），用原子干涉仪测量大G，确实让人眼前一亮。

图1：原子干涉仪测量大G示意图。

实验示意图如上，在原子干涉仪上加上仔细标定好的质量，这样原子的重力加速度会有一点改变。左边和右边两个图是分别加上F构造重物和C构造重物后重力加速度的改变，这样会导致原子干涉移测量相位的改变。而测量的方法是同时发射两个原子团，发射速度不同，最高点位置不同，同时测量两个干涉仪的相位移动。由于原子团经历重物的不同位置，因此万有引力导致的相位移动会不同，通过测量这两个干涉移的相位差，就可以计算出大G。

图2：实验数据图。

实验结果如上图。实验主要测量的是两个干涉仪的相位差。但是由于震动等噪声的影响，两个干涉仪测量的相位会有起伏的。但是如果同时将上下两个干涉仪测量的相位画在一张图中，这样就形成了一个Lissajous图，从Lissajous图中可以得到两个干涉仪的相位差。图a中红蓝两个Lissajous图就是重物安放在C构造和F构造产生的不同结果。从他们可以分别获得一个相位差。多次测量就能得到图b。c图是b图两种构造的差值，用来减少系统误差。他们最终测量的结果不确定性在150ppm，和CODATA误差在1.5sigam左右，如下图。他们在文章中也提到了系统误差，以及如何改进实验，希望能将实验精度提高到10ppm。希望能早日看到更好的结果。

图3： 实验结果。