原子的「比薩斜塔實驗」——微觀世界的弱等效原理檢驗

出品：科普中國

製作：中國科學院武漢物理與數學研究所 周林

監製：中國科學院計算機網路信息中心

圖1 人民教育出版社《兩個鐵球同時著地》課文插圖

還記得少年時代課本上《兩個鐵球同時著地》的故事嗎？故事講的是25歲的數學教授伽利略在比薩斜塔上，當眾同時拋下了重量分別為1磅和10磅的兩個鐵球，用實驗否定了統治2000多年的亞里士多德的權威理論。

這篇課文向兒時的我們傳遞了不要迷信權威，勇于堅持真理的科學精神。後來我們慢慢明白了這中間日常經驗與真相迥然不同的根源在於對空氣阻力的忽視。既然如此，那麼真空中兩個物體下落就可能不會有任何差別。順理成章地，很多人甚至還設想過棉花和鐵塊在真空中的落體實驗。但是，有誰設想過用服從量子力學規律的微觀原子來做這個實驗嗎？原子的「比薩斜塔實驗」會不會出現讓人意想不到的結果？讓我們一起來認識這個實驗。

「比薩斜塔實驗」與大思想家們的淵源

圖2 亞里士多德與伽利略

小貼士

伽利略無疑研究過落體實驗，但他有沒有在比薩斜塔上做過這個實驗卻很有爭議。有人考證認為事件本身很可能是其學生維維安尼杜撰的，然而，這並不影響「比薩斜塔實驗」在科學史上的象徵意義。在2002年由美國物理學家發起的物理學史上最美的十大實驗投票活動中，「比薩斜塔實驗」位列第二。

這種不同質量的物體從相同的高度自由下落同時著地的規律在現代物理學中被稱為「弱等效原理」。

圖3 牛頓與愛因斯坦

等效原理為何重要?

等效原理是廣義相對論的基石，也是一種普適性原理。這裡所說「普適性」，是指不同質量、不同材料的物體在任意尺度（如宏觀、微觀）、狀態（如內部靜止或轉動）下，用不同的研究方法測量都應該是成立的。當然，作為一個假設，其是否成立取決於實驗的測量結果。如果人們在實驗測量中發現這一規律出現破缺（即等效原理不成立），那麼我們就需要對廣義相對論進行修正，物理學家們翹首以盼的物理學發展新時代也可能到來。

在物理學家心目中，建立一種可以描述所有物理現象的理論，即物理學的大統一理論，是大家追求的終極目標。現代物理學已知的四種基本相互作用力中，除引力外，另外三種基本相互作用力（電磁相互作用力、強相互作用力和弱相互作用力）已經通過標準模型理論實現了統一。物理學家們構建的試圖將引力與標準模型統一的新理論（如超弦理論），幾乎都要求等效原理不再成立。因此，檢驗等效原理的實驗成為驗證這些新理論的重要途徑。

等效原理的現代科學實驗

等效原理在當今物理學中至關重要，實驗檢驗等效原理成為基礎物理學研究的前沿和熱點。自牛頓後，有不少優秀的物理學家窮盡畢生所能開展實驗，並不斷刷新測量精度。無疑，每次精度的提高都是極具挑戰性的工作。

當前，除了我們熟知的「比薩斜塔」式自由落體實驗，還包括月球激光測距、扭秤等與之類似但方案不同的實驗。這幾類宏觀物體的檢驗實驗給出的最新測量精度（後文插圖中有定義公式）在10-10-10-13量級，但到目前為止，所有的實驗都證明等效原理是成立的。

與此同時，人們也把目光投向了未來太空衛星實驗以期在更高精度上檢驗等效原理。還有人甚至考慮用反物質粒子作為檢驗樣品，因為材質的差異越大，等效原理破缺的可能性就越大。

圖4 上個世紀70年代阿波羅登月計劃中置於月球表面的激光反射鏡，用於地-月激光測距實驗。（圖片來源於維基百科Lunar Laser Ranging experiment詞條）

圖5 匈牙利物理學家厄阜發明了測量引力的扭秤，這是目前在實驗室內檢驗等效原理精度最高的實驗方法。（圖片來源於百度百科扭稱詞條）

為什麼要用原子來做「比薩斜塔實驗」

無疑，原子的量子特性（如波粒二象性）是吸引人們開展微觀尺度等效原理實驗研究重要的原因。服從量子力學規律的原子，是否可能因為其量子特性的存在，當用其作為實驗中的檢驗質量時，使得等效原理變得更容易破缺？

另外，人類掌握的最精密測量技術（冷原子光鍾，其長期穩定性可達到百億億分之一）是在原子上實現的。那麼，用原子作為測量質量，是否可能達到比宏觀手段更高的測量精度？

這些因素都強烈地激發著人們的好奇心，推動著原子「比薩斜塔實驗」的進程。

用原子進行「比薩斜塔實驗」是人們很早就有的夢想，但是常溫下原子無規則的運動速度高達每秒數百米，人們對其進行有效的操控都非常困難，更不用說開展精密的「比薩斜塔實驗」。這種現實與理想的鴻溝，隨著上個世紀末激光冷卻原子技術的迅速發展而消失。

圖6 進行冷原子實驗的真空落塔裝置以及被磁光阱技術囚禁的冷原子團

利用激光冷卻原子的技術，物理學家可以在短短几秒內囚禁近十億個原子，並將它們冷卻到接近絕對零度（百萬分之一開爾文甚至更低的水平），這時候原子熱運動速度只有厘米每秒的量級，利用現有的技術手段已經能實現非常精密的操控了。製備完冷原子後，利用一種名為「移動光學粘膠」的技術，可以實現這團冷原子的上拋，形成一個自由落體的「原子噴泉」。這一過程與「比薩斜塔實驗」基本相同，只是「比薩斜塔實驗」採用的是自由下落，而這裡是先上拋，再自由下落。

圖7 實現原子「比薩斜塔實驗」需要建立複雜而精密的激光系統

日常經驗中，我們判斷兩個物體誰先著地，是看哪個物體的邊緣先接觸地面。然而，這並不是一種高精度的測量方法，對於還存在一定熱運動擴散難以界定邊緣的原子團則更是如此。巧的是，會擴散的原子可以通過物質波干涉儀的技術來實現「比薩斜塔實驗」，進而檢驗等效原理。通過特定激光脈衝操控，可以實現原子干涉技術，原子自由下落過程的信息將被記錄在其干涉條紋中，通過對原子的熒光探測就可以提取這些信息。目前，國際上最為精密的絕對重力測量技術就是基於這種方法。

將兩種不同原子放在一起開展實驗，通過比較它們各自的原子干涉條紋的信息，就可以得到較高精度的等效原理檢驗結果。

原子「比薩斜塔實驗」得到的結果和意義

在武漢，中科院武漢物理與數學研究所詹明生研究小組正在開展原子的「比薩斜塔實驗」。該研究小組採用銣元素的兩個同位素85Rb和87Rb進行實驗，在億分之三的測量精度下，研究人員發現原子依然遵守弱等效原理。這個結果在國際上首次把微觀尺度等效原理檢驗精度推進到億分之一的數量級，因而被國際物理學頂尖雜誌《物理評論快報》接收發表。

圖8 原子「比薩斜塔實驗」

接下來的問題是，在比億分之一更高的精度下，原子的弱等效原理是否依然成立？這有待進一步的實驗。目前，武漢物理與數學研究所科研人員正在研製國際上最高的十米原子干涉儀實驗裝置，希望能再次刷新這一結果。

圖9 十米原子干涉儀，武漢

後記

每個人在小時候可能都玩過「比薩斜塔」式的拋物遊戲，對這類簡單遊戲的觀察和反覆思考，會讓我們慢慢積累一些對大自然規律表象之外更為深刻的認知，而人類探索未知的過程也是如此。

「比薩斜塔實驗」中蘊含的思想，先後在亞里士多德、伽利略、牛頓、愛因斯坦等古往今來最偉大思想家們的腦海中不斷升華，拓展著人類認識自然世界的邊界，這種進步也是人類思想與智慧發展的印跡。

2015年正是愛因斯坦廣義相對論誕生一百周年，在人類探索未知世界的旅途中，「比薩斜塔實驗」依然處在前沿。

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