课题组名称：

物质波导型原子陀螺仪小组 

研究方向: 

1. 基于磁导引的原子芯片陀螺仪 

2. 暗能量标量场的力学效应

研究内容简介: 

1. 在科学技术领域，陀螺仪是指相对惯性空间旋转的传感器。能够感知旋转效应的任何科学现象都可以用于制造陀螺仪，即便在这个现象中不存在任何的机械转动。理论上，基于物质波干涉原理的原子陀螺仪和原子加速度计是最敏感的惯性传感器。

基于著名的牛顿水桶实验，牛顿认为旋转是相对于绝对空间的绝对运动，绝对空间处于绝对的不转动状态。马赫认为不存在绝对空间，所谓的转动是指相对于整个星空背景来说的，旋转参考系中所显示的惯性力来自于远处星体的引力作用。这就是马赫原理。爱因斯坦的广义相对论部分地实现了马赫原理。根据广义相对论，一个大质量天体将会使得附近的陀螺指向发生进动偏转，这称为测地线偏移。如果该天体相对于星空背景高速旋转的话，惯性参考系拖曳效应也会使陀螺指向发生进动现象。这导致陀螺仪的导航性能受到限制。反过来说，超高灵敏度的陀螺仪可用于检验不同的几何引力理论，比如广义相对论。因此，经典转动乃至量子涡旋与时空几何的关联是陀螺仪研究必须面对的最基础科学的问题。

图1. 导引型原子陀螺仪的原理示意图。构造一个可约束物质波的环形势阱，类似于可传输光波的光纤。把制备好的超冷原子装载于该物质波导之中，进行相干分束后，让分束后的物质波沿相反方向在物质波导中演化。在物质波演化一圈或数圈后，进行相干合束并提取干涉信号以获得载体的旋转角速度。

图2.磁导引型的原子芯片陀螺仪的实验流程。

图3.基于三线阿基米德螺线布线结构的环形磁导引的数值模拟、原子芯片的设计、原子芯片的封装、原子芯片微磁阱俘获的冷原子云成像系统和原子云照片。

图4.原子芯片陀螺仪功能结构设计示意图。

图5.原子芯片陀螺仪实验平台。

2. 本课题组提出了一种可与马赫原理相容的基于相互作用对称性破缺的标量-张量场引力模型。该模型规避了温伯格的不行定理，并指出了变色龙不行定理的局限性。把该模型应用于宇宙论后，可把宇宙暴涨子和暗能量统一于同一个标量场。

当引入可与物质耦合的标量场后，物质的静止质量便成为标量场的函数。但是，任何物理量的测量值都依赖于参考物理单位的选取，没有任何实验能够测量物理量的绝对数值。实验上的测量值实际上都是物理量相对于参考单位的比率，是无量纲的数值。以质量测量为例，一个自然的参考单位就是普朗克质量。普朗克质量与牛顿万有引力常数的平方根成反比。这样，在物质和标量场耦合的情形下，在表达物质质量相对于普朗克质量的比值随标量场的变化时，人们至少可以有两种等价选择的理论描述方式。一种是普朗克质量不变(也就是万有引力常数不变)，而物质的质量是标量场的函数；另一种是物质质量不随标量场变化，而万有引力常数是标量场的函数。前者的描述图景称为爱因斯坦标架，后者称为约旦标架。因此，哈勃常数在直接测量和间接测量中的冲突实际上反映了标量场所导致的物理量的测量值对标架选择的依赖特性。

我们考虑的作用量形式如下

图6是标量场和物质的相互作用的对称性破缺势能密度的曲线图。

    暗能量标量场和物质的相互作用必然导致第五种力的出现，我们给出了第五种力的基本特征和实验设计的基本原则。第五种力的作用范围及其大小依赖于环境的物质密度，它们出现在物质密度稀薄且剧烈变化的地方。以现在的宇宙宙物质密度为背景, 第五种力的作用范围约为10微米 , 物质源产生的第五种力的强度比万有引力高出大约30个量级。即便如此，在这个特例情况下的第五种力除了比引力作用强度大以外，与其它相互作用的强度比起来，第五种力

图6.标量场的有效作用势能密度。标量场的有效作用势是标量场的自作用势加上它同物质的相互作用势。在有效作用势的极小值处，自作用势的取值扮演了宇宙学常数的角色。由于相互作用势具有对称性破缺形式，所以在物质密度足够大的情况下自作用势在极小值的取值趋于一个常数。标量场的动力学由有效作用势决定，因此，第五种力的强度和作用范围强烈地依赖于环境的物质密度。第五种力的实验研究需要在超高真空环境下进行。

的强度仍然很弱。随着环境背景的物质密度增大，第五种力的强度迅速减弱，而且作用的空间尺度范围越来越小。这保证了在太阳系和实验室情况下我们理论模型的预言和广义相对论一致。

项目资助：

本研究目前受国家自然科学基金资助。国家自然科学基金项目: 基于三线阿基米德螺线环型波导的原子芯片陀螺仪 (2021.1-2024.12)。

联系方式：

张海潮 69918172，zhanghc@siom.ac.cn 

相关论文：

1.      Hai-Chao Zhang, Obtaining a scalar fifth force via a symmetry-breaking coupling between the scalar field and matter. PHYSICAL REVIEW D 101, 044020 (2020). DOI: 10.1103/PhysRevD.101.044020.

2.         Ling Yun-Long, Wang Chuan, Zhang Hai-Chao, Three wires ring magnetic guide based on Archimedean spirals. Acta Phys. Sin. 69 (10) 100301 (2020).