利用高精度的时钟检验爱因斯坦等效原理
爱因斯坦的广义相对论是现代物理学的基础之一，它新颖地将引力解释为几何现象，出色地解释了所有观测到的引力现象，给出了宏观物理世界最为精确的描述。自诞生的100多年来，这个理论已经经受住了所有实验的检验。爱因斯坦等效原理是广义相对论的一个重要基本假设，它的有效性验证了引力的本质是时空几何。而目前基于广义相对论的标准宇宙学模型必须引入未知的暗能量来解释宇宙的加速膨胀，大多数暗能量的模型基于长程的标量场，这些场的引入会导致爱因斯坦等效原理的破缺。此外，大统一理论、弦论或者量子引力等理论也预示着广义相对论的基本假设存在一定程度的破缺。因此，开展爱因斯坦等效原理的检验实验是当今基础物理学领域最重要的方向之一，精确测量这个原理的有效性也是深刻理解基础物理的关键。高精度的检验实验离不开先进的仪器和技术。原子钟和光晶格钟作为当今最为精密的计时仪器，其精度已经达到了10?18的水平，它们极大促进了基本物理常数测量、暗物质探测和全球卫星定位系统等方面的革新，在科学和技术领域扮演着重要的角色。因此，它们也能够作为检验爱因斯坦等效原理强有力的工具。 本文主要研究利用高精度的时钟比对实验来检验爱因斯坦等效原理，并且利用现有的锶光钟实验将相关的破缺参数限制至10?5的水平。(1)在标准模型扩展中考虑物质的引力耦合，本文首次提出利用时钟的频率测量来检验物质相关的爱因斯坦等效原理破缺的新方案。该方案考虑在引力场中一个自由落体的物体上，利用固定于此物体上不同位置的两个时钟的频率比对来测量爱因斯坦等效原理物质相关的破缺参数。本论文提出的方案可以利用地表不同位置实验室同种时钟的频率比对来完成，从而同时检验弱等效原理和引力红移。通过在现存的NPL-SYRTE-PTB锶光钟网络的频率测量中搜寻相应恒星日周期的频率变化，我们同时确定地球弱等效原理相关参数βE和锶光钟引力红移相关参数ξSr在(3±9)×10?5的精度水平。进一步结合其他引力红移检验实验和月地激光测距实验，标准模型扩展物质部分的系数被限制到10?5水平。这项工作不但提供了爱因斯坦等效原理新的检验方法，验证了引力是时空几何的基本性质，而且也为精度不断改善的原子钟或光钟在基础物理检验方面扩展了一个重要的应用。(2)针对时钟实验，研究了外部天体（主要是太阳和月球）和地球潮汐形变引起的潮汐时钟效应，这些效应的特性与爱因斯坦等效原理破缺效应的特性十分接近，且具有相同的周期性，需要详细的研究。地面时钟实验方面，我们给出了潮汐时钟效应与重力潮汐加速度的关系，表明了重力潮汐数据能够应用于时钟比对实验以扣除潮汐时钟效应的影响。百公里距离的时钟比对实验中潮汐的影响可以达到10?18的水平。考虑位置的依赖性，潮汐时钟效应对位置的依赖性表明了高度和经度的位置差异不会导致时钟比对长期性的频移，而纬度的位置差异会贡献时钟比对长期性的频移，其频移量与纬度和纬度差都相关。空间时钟实验方面，利用扰动的开普勒轨道，给出了潮汐力导致的轨道扰动引起的引力红移效应和二阶多普勒效应的扰动；通过引入开普勒轨道参数，分别给出了内、外潮汐时钟效应的长周期部分和短周期部分，并讨论了长、短周期部分分别对轨道倾角和轨道偏心率的依赖关系；在后闵可夫斯基近似下，求解eikonal方程的方法给出了相位函数一般性的表达式和引力场中光线的引力延迟，能够用于研究空间时钟实验中引力场对光信号传播的影响，这些讨论将用于爱因斯坦等效原理空间实验检验的探索。
广义相对论;爱因斯坦等效原理;时钟比对实验;标准模型扩展
华中科技大学
博士
理论物理
邵成刚
2021
中文
O412.1
2023-02-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）