出品：科普中國
制作：中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所 周林
監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心
還記得少年時(shí)代課本上《兩個(gè)鐵球同時(shí)著地》的故事嗎？故事講的是25歲的數(shù)學(xué)教授伽利略在比薩斜塔上，當(dāng)眾同時(shí)拋下了重量分別為1磅和10磅的兩個(gè)鐵球，用實(shí)驗(yàn)否定了統(tǒng)治2000多年的亞里士多德的權(quán)威理論。
這篇課文向兒時(shí)的我們傳遞了不要迷信權(quán)威，勇于堅(jiān)持真理的科學(xué)精神。后來我們慢慢明白了這中間日常經(jīng)驗(yàn)與真相迥然不同的根源在于對空氣阻力的忽視。既然如此，那么真空中兩個(gè)物體下落就可能不會(huì)有任何差別。順理成章地，很多人甚至還設(shè)想過棉花和鐵塊在真空中的落體實(shí)驗(yàn)。但是，有誰設(shè)想過用服從量子力學(xué)規(guī)律的微觀原子來做這個(gè)實(shí)驗(yàn)嗎？原子的“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”會(huì)不會(huì)出現(xiàn)讓人意想不到的結(jié)果？讓我們一起來認(rèn)識(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)。
“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”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(shí)驗(yàn)，但他有沒有在比薩斜塔上做過這個(gè)實(shí)驗(yàn)卻很有爭議。有人考證認(rèn)為事件本身很可能是其學(xué)生維維安尼杜撰的，然而，這并不影響“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”在科學(xué)史上的象征意義。在2002年由美國物理學(xué)家發(fā)起的物理學(xué)史上最美的十大實(shí)驗(yàn)投票活動(dòng)中，“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”位列第二。
這種不同質(zhì)量的物體從相同的高度自由下落同時(shí)著地的規(guī)律在現(xiàn)代物理學(xué)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。這里所說“普適性”，是指不同質(zhì)量、不同材料的物體在任意尺度（如宏觀、微觀）、狀態(tài)（如內(nèi)部靜止或轉(zhuǎn)動(dòng)）下，用不同的研究方法測量都應(yīng)該是成立的。當(dāng)然，作為一個(gè)假設(shè)，其是否成立取決于實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)果。如果人們在實(shí)驗(yàn)測量中發(fā)現(xiàn)這一規(guī)律出現(xiàn)破缺（即等效原理不成立），那么我們就需要對廣義相對論進(jìn)行修正，物理學(xué)家們翹首以盼的物理學(xué)發(fā)展新時(shí)代也可能到來。
在物理學(xué)家心目中，建立一種可以描述所有物理現(xiàn)象的理論，即物理學(xué)的大統(tǒng)一理論，是大家追求的終極目標(biāo)?，F(xiàn)代物理學(xué)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(qiáng)相互作用力和弱相互作用力）已經(jīng)通過標(biāo)準(zhǔn)模型理論實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一。物理學(xué)家們構(gòu)建的試圖將引力與標(biāo)準(zhǔn)模型統(tǒng)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(yàn)等效原理的實(shí)驗(yàn)成為驗(yàn)證這些新理論的重要途徑。
等效原理的現(xiàn)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)
等效原理在當(dāng)今物理學(xué)中至關(guān)重要，實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)等效原理成為基礎(chǔ)物理學(xué)研究的前沿和熱點(diǎn)。自牛頓后，有不少優(yōu)秀的物理學(xué)家窮盡畢生所能開展實(shí)驗(yàn)，并不斷刷新測量精度。無疑，每次精度的提高都是極具挑戰(zhàn)性的工作。
當(dāng)前，除了我們熟知的“比薩斜塔”式自由落體實(shí)驗(yàn)，還包括月球激光測距、扭秤等與之類似但方案不同的實(shí)驗(yàn)。這幾類宏觀物體的檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)給出的最新測量精度（后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(shí)驗(yàn)都證明等效原理是成立的。
與此同時(shí)，人們也把目光投向了未來太空衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)以期在更高精度上檢驗(yàn)等效原理。還有人甚至考慮用反物質(zhì)粒子作為檢驗(yàn)樣品，因?yàn)椴馁|(zhì)的差異越大，等效原理破缺的可能性就越大。
圖4 上個(gè)世紀(jì)70年代阿波羅登月計(jì)劃中置于月球表面的激光反射鏡，用于地-月激光測距實(shí)驗(yàn)。（圖片來源于維基百科Lunar Laser Ranging experiment詞條）圖5 匈牙利物理學(xué)家厄阜發(fā)明了測量引力的扭秤，這是目前在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)檢驗(yàn)等效原理精度最高的實(shí)驗(yàn)方法。（圖片來源于百度百科扭稱詞條）
為什么要用原子來做“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”
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(shí)驗(yàn)研究重要的原因。服從量子力學(xué)規(guī)律的原子，是否可能因?yàn)槠淞孔犹匦缘拇嬖?，?dāng)用其作為實(shí)驗(yàn)中的檢驗(yàn)質(zhì)量時(shí)，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(shù)（冷原子光鐘，其長期穩(wěn)定性可達(dá)到百億億分之一）是在原子上實(shí)現(xiàn)的。那么，用原子作為測量質(zhì)量，是否可能達(dá)到比宏觀手段更高的測量精度？
這些因素都強(qiáng)烈地激發(fā)著人們的好奇心，推動(dòng)著原子“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”的進(jìn)程。
如何用原子來做“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”
用原子進(jìn)行“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”是人們很早就有的夢想，但是常溫下原子無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)每秒數(shù)百米，人們對其進(jìn)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(shí)驗(yàn)”。這種現(xiàn)實(shí)與理想的鴻溝，隨著上個(gè)世紀(jì)末激光冷卻原子技術(shù)的迅速發(fā)展而消失。
圖6 進(jìn)行冷原子實(shí)驗(yàn)的真空落塔裝置以及被磁光阱技術(shù)囚禁的冷原子團(tuán)
利用激光冷卻原子的技術(shù)，物理學(xué)家可以在短短幾秒內(nèi)囚禁近十億個(gè)原子，并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(shí)候原子熱運(yùn)動(dòng)速度只有厘米每秒的量級，利用現(xiàn)有的技術(shù)手段已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)非常精密的操控了。制備完冷原子后，利用一種名為“移動(dòng)光學(xué)粘膠”的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)這團(tuán)冷原子的上拋，形成一個(gè)自由落體的“原子噴泉”。這一過程與“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”基本相同，只是“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”采用的是自由下落，而這里是先上拋，再自由下落。
圖7 實(shí)現(xiàn)原子“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”需要建立復(fù)雜而精密的激光系統(tǒng)
日常經(jīng)驗(yàn)中，我們判斷兩個(gè)物體誰先著地，是看哪個(gè)物體的邊緣先接觸地面。然而，這并不是一種高精度的測量方法，對于還存在一定熱運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散難以界定邊緣的原子團(tuán)則更是如此。巧的是，會(huì)擴(kuò)散的原子可以通過物質(zhì)波干涉儀的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”，進(jìn)而檢驗(yàn)等效原理。通過特定激光脈沖操控，可以實(shí)現(xiàn)原子干涉技術(shù)，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(shù)就是基于這種方法。
將兩種不同原子放在一起開展實(shí)驗(yàn)，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(yàn)結(jié)果。
原子“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”得到的結(jié)果和意義
在武漢，中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所詹明生研究小組正在開展原子的“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”。該研究小組采用銣元素的兩個(gè)同位素85Rb和87Rb進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在億分之三的測量精度下，研究人員發(fā)現(xiàn)原子依然遵守弱等效原理。這個(gè)結(jié)果在國際上首次把微觀尺度等效原理檢驗(yàn)精度推進(jìn)到億分之一的數(shù)量級，因而被國際物理學(xué)頂尖雜志《物理評論快報(bào)》接收發(fā)表。
圖8 原子“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”
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(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)。目前，武漢物理與數(shù)學(xué)研究所科研人員正在研制國際上最高的十米原子干涉儀實(shí)驗(yàn)裝置，希望能再次刷新這一結(jié)果。
圖9 十米原子干涉儀，武漢
后記
每個(gè)人在小時(shí)候可能都玩過“比薩斜塔”式的拋物游戲，對這類簡單游戲的觀察和反復(fù)思考，會(huì)讓我們慢慢積累一些對大自然規(guī)律表象之外更為深刻的認(rèn)知，而人類探索未知的過程也是如此。
“比薩斜塔實(shí)驗(yàn)”中蘊(yùn)含的思想，先后在亞里士多德、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(rèn)識(shí)自然世界的邊界，這種進(jìn)步也是人類思想與智慧發(fā)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(shí)驗(yàn)”依然處在前沿。
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