近日，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院联合中国科学院空间应用工程与技术中心等单位，在国际顶刊《科学进展》（Science Advances）发表空间站原子干涉弱等效原理（WEP）在轨检验重大成果。中科酷原科技（武汉）有限公司核心团队深度参与攻关。实验让两团不同质量的铷原子（⁸⁵Rb 与 ⁸⁷Rb）在空间微重力环境中同时自由下落，测得二者加速度在 4.7×10⁻⁷ 的精度内保持一致，厄缶参数 η=（-2.7±4.7）×10⁻⁷，将微重力环境原子干涉 WEP 检验精度提升三个数量级，为天基量子精密测量、探索新物理开辟全新路径。《科学新闻》(Science News) 杂志同期以《Free-falling atoms in space put a new twist on Galileo’s gravity test》为题进行了专题报道。

      弱等效原理是爱因斯坦广义相对论的基石，它断言物体的引力质量与惯性质量严格等价——在真空中，不同质量的物体自由下落的加速度完全相同。相传伽利略曾登上比萨斜塔，让不同重量的物体同时下落以验证这一规律。数百年后的今天，中国科研团队把这一经典实验“缩小”到原子尺度、“搬”上了中国空间站，在长期微重力的轨道实验室里以量子方式重新检验了这一原理，有力彰显了我国在空间量子精密测量领域的技术实力。

核心数据速览

• 双组分原子干涉仪：同一装置内同时制备并操控 ⁸⁵Rb、⁸⁷Rb 两种铷同位素冷原子；

• 原子参数：⁸⁵Rb 原子数 3.4×10⁸、温度 6.6 μK；⁸⁷Rb 原子数 2.9×10⁸、温度 4.5 μK；

• 单次干涉时间：50 ms，摆脱地面重力加速度对自由下落时间的制约；

• 长期在轨积累：连续 280 天获取 9700 余对干涉条纹，检验统计不确定度达 2.8×10⁻⁸；

• 最终检验结果：厄缶参数 η=（-2.7±4.7）×10⁻⁷；

• 精度提升：较此前微重力原子干涉 WEP 检验（约 10⁻⁴）提升三个数量级。

从比萨斜塔到中国空间站——弱等效原理的“量子版”检验

      弱等效原理是现代物理学最基础、也最被反复检验的假设之一。传统宏观物体检验的精度已达地面 10⁻¹³、空间 10⁻¹⁵ 量级，而冷原子干涉仪凭借量子特性与高精度潜力，不仅能用质量不同的原子进行对比，还能比较不同自旋、不同内态的原子，检验范围远超宏观物体。

      然而，地面原子自由下落距离有限，干涉时间被限制在秒级。中国空间站提供的长期微重力环境解除了这一约束：本次实验所用仪器安装于空间站高微重力水平实验柜内，在自由漂浮平台上原子干涉时间可达 50 ms，并可长期、持续地积累数据，从而把弱等效原理检验推向更高精度。

中国空间站原子干涉仪总览

三大关键技术攻克在轨环境噪声

      在轨环境远比实验室复杂：空间站自身存在转动与残余加速度，还受到航天员活动、科学机柜振动等扰动。为此，团队攻克了平台运动抑制、荧光探测切换、双光子失谐切换三大关键技术，逐项消除相位噪声，提升测量精度。

      一是平台运动抑制。中国空间站采用对地定向姿态，绕 x 轴存在约 -1.138 mrad/s 的恒定旋转。若不加补偿，空间站转动会使干涉条纹的空间频率降到约 0.5 rad/mm，在 1.1 cm 的成像宽度内相位变化不足 2π，条纹几乎无法提取。团队在拉曼脉冲期间精确控制压电倾斜反射镜的角度，抵消旋转带来的退相干效应，使 87Rb、85Rb 条纹空间频率分别达到 1.72 和 1.36 rad/mm，获得清晰可辨的双组分干涉条纹。

双组分干涉条纹与差分相位提取

      二是荧光探测切换。双组分条纹的干涉相位通过正弦拟合提取，而拟合起始位置的零点位于压电倾斜镜旋转轴处、难以精确标定，叠加两种同位素条纹空间频率的差异，会引入残余差分相位。团队设计荧光探测切换法：交替改变两种同位素的荧光探测顺序，进行两组测量并取平均，以消除该相位偏移。实测中拟合位置变化 4.3 mm 时，单组差分相位漂移约 1.6 rad，而平均后最大变化仅 0.044 rad；理论估算显示，该法将相位不确定度从 0.47 rad 压低到 3.7×10⁻⁴ rad，抑制超过三个数量级。

      三是双光子失谐切换。双单衍射（DSD）方案由两对拉曼激光驱动两个对称干涉环，二者形状相同、方向相反。当原子云沿干涉轴存在残余速度（估算在 ±4 mm/s 内）时，两环选取的原子数不对称，光移等与有效波矢无关的相位无法完全抵消，留下残余相移——例如 4 mm/s 的残余速度即会引起 85Rb 原子云约 16% 的原子数变化。团队设计双光子失谐切换法：交替翻转拉曼激光双光子失谐的符号，使残余相移符号随之反转，两组测量取平均即可消除。数值模拟显示，单组残余相移最大达 0.65 rad，平均后最大仅 0.04 rad，抑制约 15 倍。

      在三项技术的支撑下，团队完成四种实验构型的长期交替测量，累计 280 天获取 9700 余对干涉条纹，将差分相位偏差从单构型最大值 -0.556 rad 压低到平均值 -0.117 rad，最终实现 2.8×10⁻⁸ 的检验不确定度。

长期差分相位测量与稳定性

论文关键观点与结论

      论文指出，这项工作首次将弱等效原理检验从落塔、抛物线飞机、探空火箭等短时微重力平台，拓展到永久性的轨道实验室，并通过系统误差分析得到了可靠的检验结果。

      在结论部分，论文强调本次实验是空间原子干涉 WEP 检验的原理验证，所提出的点源干涉方案、荧光探测切换与双光子失谐切换等方法，对未来 STE-QUEST、AEDGE、SAGE 等天基冷原子干涉任务具有重要参考价值；论文还系统梳理了在轨与地面实验在误差来源上的差异，识别出多个新发现的相位误差源，为天基冷原子干涉仪的设计与误差分析提供了依据。展望未来，无拖曳技术、更深度的原子冷却以及更长相干时间的在轨演示，将是进一步提升检验精度的关键方向。

      从伽利略的比萨斜塔到今日的中国空间站，人类对“万物自由下落速度相同”这一朴素规律的追问从未停止。冷原子干涉仪在轨实验，首次以量子方式在太空完成了弱等效原理检验，将微重力环境下的原子干涉检验精度一举提升三个数量级，不仅再次印证了广义相对论这一现代物理学支柱，更验证了空间量子惯性传感的核心关键技术，为我国量子精密测量从地面走向太空、为未来天基引力探测与“新物理”探索打开了大门。

      文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeh4502