Octupole moments and the non-universality of free-fall in general relativity
Dublin City University（都柏林城市大学）；Université de Caen Normandie（诺曼底卡昂大学）
研究广义相对论中八极矩对自由落体非普遍性的影响，通过证明八极矩无迹分量影响物体运动并给出分解，应用于牛顿时空和彼得罗夫D型时空，揭示八极矩与四极矩效果不同。
2026-10-30 gr-qc
Quantum Test of the Universality of Free Fall
我们同时测量的引力引起的相移在两个拉曼型物质波干涉仪与激光冷却的合奏$^{87}$ Rb和$^{39}$ K原子。我们的测量得到的Eötvös比为$η_{\text{Rb,K}}=(0.3\pm 5.4)\times 10^{-7}$。我们简要地估计可能的偏见影响，并提出未来的改进策略。
2014-06-19 gr-qc physics.atom-ph
Quantum mechanix plus Newtonian gravity violates the universality of free fall
牛顿引力中的经典点粒子和广义相对论中的粒子一样，都服从自由降落的普适性。然而，经典结构粒子（例如具有质量四极矩）不需要遵守自由降落的普适性。在量子力学中，一个基本的“点”粒子（在粒子物理学意义上）可以用一个定域波包来描述，我们可以定义一个概率四极矩。在合理的假设下，这种概率四极可以影响自由降落的普遍性。(So在粒子物理学意义上，一旦包括波包效应，点状基本粒子就可以而且确实必须具有广义相对论意义上的结构。）这提出了一个重要的原则问题，因为对自由降落普适性的可能量子违反将从根本上影响我们对“量子引力“可能是什么样子的想法。我将提出一个估计的影响的大小，并讨论在哪里，如果在所有可能的测量。
2017-11-25 gr-qc hep-th quant-ph
Quantum test of the Universality of Free Fall using rubidium and potassium
本文报道了一种改进的利用铷-钾双粒子物质波干涉仪对自由降落普适性的测试。我们描述了我们的设备，并详细介绍了操作钾干涉仪时的挑战和解决方案，以及影响我们测量的系统效应。我们对Eötvös比的测定产生了$η_{\,\text{Rb,K}}=-1.9\times10^{-7}$，其组合标准不确定度为$σ_η=3.2\times10^{-7}$。
2020-05-22 gr-qc physics.atom-ph quant-ph
Emergent universality of free fall from quantum mechanics
针对量子理论打破自由落体普适性（UFF）的问题，本文证明UFF是量子力学的涌现现象，高能级粗粒化量子分布会得到带量子修正的经典分布，并估算了修正对Eötvös参数的影响。
2024-05-13 gr-qc quant-ph
Testing the Universality of Free Fall at ${10^{ - 10}}$ level by Comparing the Atoms in Different Hyperfine States with Bragg Diffraction
利用精密原子干涉实验验证了考虑原子自旋自由度的自由降落（UFF）的普适性。实验采用布拉格原子干涉仪，Rb原子处于超精细态$^{87}$或$\left| {F = 2,{m_F} = 0} \right\rangle $，这两种态的波包在一对布拉格光束中交替衍射，可以抑制共模系统误差。我们获得了E $\rm{\ddot{o}}$ tv $\rm{\ddot{o}}$ s比$η= \left( { 0.9 \pm 2.7} \right) \times {10^{ - 10}}$，并以近5倍的提高创造了精度的新纪录。我们的实验对可能的UFF断裂机制给出了更强的限制。
2018-05-31 gr-qc quant-ph
When does a sphere fall like a point particle? Quadrupole universality and Weyl-driven hexadecapole deviations in vacuum general relativity
Instituto de Física Gleb Wataghin, Universidade Estadual de Campinas（坎皮纳斯州立大学格莱布·瓦塔金物理研究所）；Centro de Ciências Naturais e Humanas, Universidade Federal do ABC（ABC联邦大学自然与人文科学中心）
研究真空广义相对论中无自旋球形扩展测试体何时像点粒子运动，利用迪克森协变多极形式体系得出四极阶数内的普遍性，十六极阶数有外尔驱动的力，计算了史瓦西时空相关力和修正，还发现十六极矩调制产生的影响。
2026-07-27 gr-qc
Atom-interferometric test of the universality of gravitational redshift and free fall
光脉冲原子干涉仪构成了强大的惯性力量子传感器。它们是基于离域空间叠加和内部跃迁的组合，直接将它们与原子钟联系起来。由于经典的引力红移测试是基于两个时钟在引力下定位在不同位置的比较，这是有希望的探索是否上述干涉仪构成一个有竞争力的替代测试广义相对论。在这里，我们提出了一个特定的几何形状，连同状态转换导致一个计划，是同时敏感的违反自由降落和引力红移的普遍性，广义相对论的两个前提。所提出的干涉仪不依赖于内部状态的叠加，而仅仅依赖于它们之间的跃迁，因此概括了物理原子钟和量子时钟干涉测量的概念。一个实验性的实现似乎是可行的，在国家的最先进的设施已经证明了技术。
2020-11-17 gr-qc physics.atom-ph quant-ph
Resolution of the Co-Location Problem in Satellite Quantum Tests of the Universality of Free Fall
自由降落（UFF）普遍性的所有伽利略跌落试验的一个共同的主要挑战是，由于与重力梯度和旋转的耦合，在释放时需要对两个试验质量的初始运动学进行控制。在这项工作中，我们提出了一个双重的缓解策略，以显着减轻源准备的要求，在星载量子测试的UFF，使用补偿机制与信号解调。为此，我们提出了一个计划，以减少重力梯度引起的不确定性，在一个专门的卫星任务的原子干涉实验，并评估实验的可行性。我们发现，与温和的参数，对两个质量的初始运动学的要求可以放宽五个数量级。这不仅意味着大大减少了任务时间，而且还可以将共址缺陷引起的加速度不确定性降低到低于$10^{-18}$水平。
2020-06-15 gr-qc physics.atom-ph quant-ph
Testing the universality of free fall with rubidium and ytterbium in a very large baseline atom interferometer
我们提出了一个很长的基线原子干涉仪测试爱因斯坦等效原理（EEP）与镱和铷延伸超过10米的自由降落。考虑到EEP违反的现有参数化，通过比较具有高原子序数的两种元素，相对于其他执行或提议的测试，这种测试质量的选择显著地拓宽了原子干涉EEP测试的范围。在第一步中，我们的实验方案将允许达到$7\times 10^{-13}$的Eötvös比的精度。这一成就将限制违反情况超出我们目前的知识，并将代表一个重要的里程碑，探索各种方案，以进一步改进的测试中概述的文件。我们将讨论汉诺威理工学院（HITec）新基础设施的技术实现，并简要概述达到这种精度的要求。该实验将展示各种技术，这些技术将用于未来的EEP测试，高精度重力测量和重力梯度测量。它包括操作的力敏原子干涉仪与碱土类元素在自由降落，光束分裂宏观距离和新的源的概念。
2015-03-04 gr-qc physics.atom-ph
Testing the Universality of Free Fall using correlated $^{39}$K -- $^{87}$Rb interferometers
我们演示了如何巧妙地操作$^{39}$ K -$^{87}$ Rb干涉仪表现出高水平的相关性，可以用来使竞争力的测试大学的自由降落。这项工作提供了我们的实验装置和数据分析程序的概述，包括系统的影响的详细研究。在一个紧凑的装置中，总的询问时间为$2T = 40$ ms，我们在积分$2.4 \times 10^4$ s后，对$7.8 \times 10^{-8}$的Eötvös参数的测量达到统计不确定性。我们的测量的主要限制来自波前像差的组合，二次塞曼效应在$^{39}$ K，寄生干涉仪在$^{87}$ Rb，和我们的检测系统的速度灵敏度。这些系统误差限制了我们测量$η= 0.9(1.6) \times 10^{-6}$的准确性。我们讨论了在延长的询问时间使用超冷原子的改进前景。
2021-10-25 gr-qc physics.atom-ph quant-ph
Testing the universality of free fall towards dark matter with radio pulsars
用Eötvös参数$η_\oplus$描述的地球引力场对弱等效原理的违反，最近被显微镜空间飞行任务限制在$\left|η_\oplus\right| \lesssim 10^{-14}$水平。关于暗物质和普通物质的微分耦合的Eötvös参数$η_{\rm DM}$，只在$\left| η_{\rm DM} \right| \lesssim 10^{-5}$的水平上被Eöt-Wash小组和月球激光测距测试过。这个测试是有限的EP违反驱动力在太阳附近，这是由银河系分布的DM。本文提出了一个新的天体实验，利用双星射电计时的轨道动力学，得到了中子星-白矮星系统PSR J1713+0747的$η_{\rm DM}$的竞争极限.这一结果得益于NS和WD之间较大的物质差异，以及NS较大的引力结合能。如果我们能在银河系中心的$\sim 10$秒差距内发现一颗脉冲双星，在那里，预期的DM尖峰的驱动力要大得多，精确的计时将改善对DM的自由降落的普遍性的测试，并将DM与标准模型的各种拟议耦合约束几个数量级。这样的测试探索了引力是DM和普通物质之间唯一的长程相互作用的假设。
2018-05-22 astro-ph.GA gr-qc hep-ph
Testing the universality of free fall by tracking a pulsar in a stellar triple system
爱因斯坦的引力理论，即广义相对论，已经在实验室、太阳系的其他地方和脉冲双星中通过了严格的检验。然而，它与量子力学是不相容的，并且在强场和小空间尺度上与物质的真实行为不同。广义相对论的一个关键方面是强等效原理（SEP），该原理指出，所有自由落体的物体，无论它们的引力有多强，在同一个引力场中都会经历相同的加速度。基本上所有替代广义相对论的理论都在某种程度上违背了这一原理。先前对SEP的直接测试受限于地月日系统中天体的弱引力或银河系对脉冲星-白矮星双星的弱引力。PSR~ J 0337 +1715是一个等级分明的恒星三元系统，其内部双星由一颗毫秒射电脉冲星和一颗白矮星组成，脉冲星的轨道为$1.6$天。这颗内部的双星与另一颗白矮星在一个$327$天的轨道上。在这个系统中，脉冲星和内伴星以大约$10^8$倍于落入银河势产生的加速度落向外伴星，脉冲星的引力结合能大约是其质量的$10\%$。在这里，我们报告说，尽管脉冲星的强引力，它和内部白矮星经历的加速度相差不超过$2.6\times 10^{-6}$（$95\%$置信水平）的一小部分。我们可以通过使用强场Nordtvedt参数$\hatη_N$粗略地将其与其他SEP测试进行比较。我们对$\hatη_N$的限制比从（弱场）太阳系SEP试验中得到的限制小10倍，比从其他强场SEP试验中得到的限制小近1000倍。
2018-07-05 astro-ph.HE gr-qc
Gravity's universality: The physics underlying Tolman temperature gradients
当存在引力场时，我们提供了一个简单而清楚的证明，证明了在平衡态下温度梯度的物理需要。我们的论证将建立在一个完全运动学的方式，在引力红移/蓝移的光，连同相对论扩展麦克斯韦的两列参数。我们的结论表明，这是普遍性的引力相互作用（自由落体的唯一性），最终允许托尔曼的平衡温度梯度没有任何违反热力学热力学定律。
2018-05-15 gr-qc hep-th
Tests of the universality of free fall for strongly self-gravitating bodies with radio pulsars
本文综述了强等效原理（SEP）在脉冲星-白矮星数据中的检验。这两个组件之间的结合能的极端差异和脉冲星计时提供的轨道运动的精确测量允许目前唯一的精确SEP测试强自引力体。我们首先强调为什么这些测试在概念上很重要。然后，我们回顾了以前的工作，SEP违反的限制，获得了广泛的小偏心率轨道的二进制系统的合奏。在此基础上，提出了一种基于轨道偏心率de/dt变化的SEP破坏检验方法。这种新方法具有以下优点：a）与以前的方法不同，它不基于概率考虑，b）它可以直接检测SEP违规，c）de/dt的测量不受任何已知的外部影响，这意味着SEP测试仅受de/dt测量精度的限制。在评论的最后一部分，我们从概念上比较SEP测试与偶极辐射阻尼测试，SEP违反密切相关的现象，并推测在球状星团和未来的三重系统的新类型的测试的未来前景。
2012-06-20 astro-ph.GA astro-ph.HE gr-qc
STE-QUEST - Test of the Universality of Free Fall Using Cold Atom Interferometry
广义相对论描述的是由引力影响驱动的宏观现象，而量子力学则出色地解释了微观效应。尽管他们各自取得了巨大的成功，但基本相互作用的完全统一仍然是现代理论物理学中最具挑战性和最重要的任务之一。STE-QUEST卫星任务是欧洲航天局（欧空局）宇宙观计划中的一个中型任务，旨在通过两个实验高精度地测试广义相对论，通过比较地球时钟，并通过比较Rb 85和Rb 87的两个玻色-爱因斯坦凝聚体的轨迹，进行了地球引力场物质波自由降落的普适性测试。这两个超冷原子云由于原子干涉测量技术而被非常精确地监测。这使得Eötvös参数的不确定度至少达到2x 10 E-15。在本文中，我们报告的结果，A阶段的任务研究的原子干涉仪涵盖的主要有效载荷元素的描述，原子源的概念，和系统误差来源。
2014-04-14 gr-qc physics.atom-ph physics.space-ph
On free fall of fermions and antifermions
本研究在量子场论框架下提出基于等效原理和广义协变性的弯曲时空自旋1/2粒子模型，发现自旋进动、引力势能不受波包扩散影响、费米子与反费米子引力不可区分等结果，为引力谱仪实验提供新途径。
2023-07-01 gr-qc hep-th quant-ph
Spinning particles coupled to gravity
最近的实验工作已经确定，地球上自由下落的$^{87}$ Rb原子，具有垂直排列的自旋，遵循测地线，因此显然排除了自旋-引力相互作用。它表明，虽然一些旋转的物质模型耦合到引力在该工作中提到的似乎被排除的实验，这些相同的实验结果证实了理论结果来自拉格朗日描述的旋转粒子耦合到引力超过40年前构建。建议进行（类似的，但）不同的实验，这将有助于测试的有效性的普遍性的自由降落，而不是上述拉格朗日理论的正确性，提出。
2016-10-27 gr-qc
Redshift Anomalies with Universal Free-Fall
对于大多数将广义相对论的修正参数化的理论，包括那些违反等效原理的理论，引力红移测试对这些测试参数的约束通常比自由降落（UFF）和局部洛伦兹不变性（LLI）的普适性的精确测量要弱。虽然红移异常通常与UFF或LLI的违反有关，但它们并不一定如此。我们提供了一个简单的模型，其中粒子质量随引力势而变化。这产生了不受现有UFF或LLI测试约束的引力红移异常。我们提出了新的实验来限制这种影响。
2010-08-04 gr-qc hep-ph
General Relativity in Space and Sensitive Tests of the Equivalence Principle
介绍了空间飞行任务中的基本任务。这些任务是探索相对论性的引力场，自由降落的普遍性，引力红移的普遍性，局部洛伦兹不变性，爱因斯坦场方程的有效性等。在每种情况下，相应的任务利用空间条件，这是必不可少的实验精度的提高相比，在地面上的实验。提供了过去、当前和计划中项目的清单和简短说明。还讨论了空间任务中使用的关键技术。
2004-02-26 gr-qc
Gauge dependence and self-force from Galilean to Einsteinian free fall, compact stars falling into black holes, Hawking radiation and the Pisa tower at the general relativity centennial
（简短摘要）。在伽利略物理学中，自由降落的普适性意味着惯性系，这反过来意味着下落物体的质量m被忽略。否则，一个与m/M成比例的附加加速度将对位于系统质心的观测者或对位于距离M质心固定距离的观测者产生。这些基本的，但被忽视的考虑充分尊重等效原理和惯性或引力的爱因斯坦舱中的观察者的身份。他们被认为是广义相对论中自作用力和规范依赖性的先驱。本文探讨了伽利略自由降落定律的近似性质。当步入广义相对论，我们报告如何测地线自由降落到一个黑洞是一个激烈的辩论的主题再次集中在坐标的选择。随后，我们描述了下落的质量和发射的引力辐射如何影响物体的自由降落运动。广义相对论性的自作用力可以被处理成完全符合运动的测地线概念。然后，接受量子力学，真正的黑洞不再是经典的静态物体。自由降落必须处理霍金辐射，并引导我们对蒸发的黑洞的变化质量和下落质量的变化能量有新的看法。沿着这篇论文，我们还估计了我们的发现，从伽利略或爱因斯坦比萨塔相对于目前的技术水平从地面和空间实验室的精确测量，并由量子测量所构成的约束。附录描述了教育物理学和高影响因子期刊如何讨论自由降落。最后，对本科生和教师进行的案例研究进行了回顾。
2016-07-09 gr-qc
On free fall of quantum matter
我们提出了一种方法，允许系统地考虑量子粒子物理学中的引力。它以量子场论和广义相对论原理为基础。它们被用来建立弯曲时空中量子粒子的模型。我们用它的方法计算了在地球引力场中与经典测地线的偏差。这表明自由降落依赖于量子物质的性质。具体地说，我们发现自由落体普适性和波包扩散是相互排斥的现象。然后，我们估计Eötvös参数的一对原子自由地落在地球表面附近，提供波包传播比弱等效原理更基本。
2022-03-31 gr-qc hep-th quant-ph
How does interference fall?
我们研究如何单缝和双缝干涉模式的重力的存在下下降。首先，我们证明了自由降落的普遍性在这种情况下仍然成立，即，干涉图样就像经典物体一样接下来，我们探讨最低阶的相对论效应在牛顿政权采用最近的量子形式主义，把质量作为一个运营商。这导致了非简并的内部自由度（如外部磁场中的自旋）和外部自由度（如位置）之间的相互作用。基于这些效应，我们提出了一种特殊的现象，即下降的双缝干涉图样周期性地退相干和再相干。由于自旋和位置之间建立的相关性，这种干涉的可见性发生了振荡。最后，我们将干涉可见度的恢复与非马尔可夫量子动力学联系起来。
2016-10-07 gr-qc quant-ph
Universality in Chaos of Particle Motion near Black Hole Horizon
球对称黑洞视界附近粒子的运动具有由其表面引力提供的混沌的普适李雅普诺夫指数。为了探测视界，我们向粒子引入电磁力或标量力，使其不落入视界。总势存在一个不稳定的最大值，在此最大李雅普诺夫指数与外力和粒子质量无关。李雅普诺夫指数一般由黑洞的表面引力给出。除非存在其他混沌源，否则李雅普诺夫指数服从不等式$λ\leq 2πT_{\rm BH}/\hbar$，这与Maldacena，Shenker和Stanford最近发现的界相同。
2016-11-01 gr-qc hep-th
Some remarks on an old problem of radiation and gravity
等效原理假定的普适性表明，一个粒子在引力场中的物理性质与一个粒子在加速坐标系中的物理性质相同。然而，能量方面的考虑禁止在引力场中的静止粒子辐射，而加速粒子则发射。对于引力场中电荷辐射的基本问题的解答以及等效原理的推论，通常将辐射的远场和全局性质与等效原理的局部有效性进行对比。在这里，我们提出了可靠的物理解决方案，认识到运动电流和辐射发生的磁分量的基本需要。我们的讨论重申了重新仔细研究带电粒子在引力场中自由降落的普适性的必要性。
2015-08-03 gr-qc
Violation of the equivalence principle from light scalar fields: from Dark Matter candidates to scalarized black holes
张量-标量理论是一种广泛的替代引力理论，可以由更高维的理论，暗物质或暗能量模型激发。在一般情况下，标量场将非万有地耦合到物质，从而违反等效原理。在这篇文章中，我们回顾了标量/物质耦合的微观模型及其在自由降落、频率比较和红移测试的普遍性方面的可观察结果。然后，我们专注于两个模型：（i）超轻标量暗物质的模型和（ii）在我们的银河系中心的标量黑洞的模型。对于这两个模型，我们目前的限制，使用最近的测量：原子钟比较，自由降落测量的普遍性，测量相对论红移与短周期恒星S 0 -2轨道的超大质量黑洞在我们的银河系中心。
2019-05-21 astro-ph.GA gr-qc hep-ph
De Broglie relations, Gravitational time dilation and weak equivalence principle
量子物理和引力之间的相互作用长期以来激发了令人兴奋的研究，这些研究揭示了量子定律和弯曲时空的一般概念之间的微妙联系。一个重要的例子是量子物理学和引力物理学中自由落体运动的独特性。在这项工作中，我们重新研究量子测试波包，分布在弱弯曲时空背景的自由落体运动。除德布罗意关系外，没有任何先验给定的哈密顿量或量子系统满足的最小作用量的假设。我们发现，量子测试波包的平均运动可以从德布罗意关系中自然地导出，并对量子波的引力时间膨胀进行了广义处理。量子测试质量在引力场中的这种平均运动与它们的质量和成分无关，并且精确地恢复了经典测试质量在弯曲时空中的自由下落或测地线运动。这提出了一个新的观点，即弱等效原理，它陈述了自由落体的普遍性，可能深深植根于量子物理学，并且是量子世界中出现的一种现象。
2018-12-10 gr-qc quant-ph
Varying constants, Gravitation and Cosmology
基本常数是物理定律的基石。任何在空间和/或时间中变化的常数都反映了一个几乎无质量的场的存在，这个场与物质耦合。这将导致违反自由降落的普遍性。因此，检验它们的恒常性对于我们理解引力和广义相对论的有效性领域是极其重要的。因此，我们详细说明了常数之间的关系，局部位置不变性和自由降落的普遍性的测试。然后，我们审查的主要实验和观测的限制，已获得从原子钟，欧克陆现象，太阳系观测，陨石测年，类星体吸收光谱，恒星物理，脉冲星定时，宇宙微波背景和大爆炸核合成。在每一步中，我们描述了每个系统的基础知识，它对常数的依赖性，已知的系统效应和最近获得的约束条件。然后，我们描述了主要的理论框架，其中的低能常数实际上可能是不同的，我们专注于统一机制和不同常数的变化之间的关系。最后，我们讨论了理解它们的数值和它们所面临的明显微调的更投机的可能性。
2010-09-28 astro-ph.CO gr-qc hep-ph
Torsion-balance probes of fundamental physics
本白皮书作为Snowmass2013（子组CF2）的一部分提交。扭转天平的非凡灵敏度可以用来寻找超弱力，这种超弱力是在试图将引力与其他基本相互作用统一起来时提出的。最后，总结了本研究的动机、结果、意义以及未来的展望。实验包括测试自由降落的普适性（弱等效原理），探测引力的短距离行为（额外维度的平方反比定律测试和来自新meV尺度玻色子的交换力），以及洛伦兹不变性的普朗克尺度测试（首选框架效应，非交换几何）。
2013-08-14 gr-qc hep-ex
Finite Pulse-Time Effects in Long-Baseline Quantum Clock Interferometry
该研究建立有限脉冲时间下含内外部耦合与空间变化光强的E1-M1跃迁模型，推广受扰无反冲时钟脉冲表达式，并证明质心离域足够小时量子时钟干涉仪对光场扰动稳定。
2024-05-08 gr-qc physics.atom-ph quant-ph
