科學(xué)家早已發(fā)現(xiàn)，在量子物理學(xué)中，粒子可以感受到它們從未直接接觸過的磁場的影響?，F(xiàn)在，一項刊登在《科學(xué)》雜志上的新研究表明，這種被稱為阿哈羅諾夫-玻姆效應(yīng)的奇異量子現(xiàn)象，不僅適用于磁場，也適用于引力。
阿哈羅諾夫-玻姆效應(yīng)
在經(jīng)典電磁學(xué)中，電場和磁場是負責(zé)所有物理效應(yīng)的基本實體。例如，粒子只有在直接與電場或磁場接觸的情況下，才會受到場的影響（如加速、減速、轉(zhuǎn)彎）。
電磁場可以用一個被稱為電磁勢的量來表示，這個量在空間的任何地方都有一個值。從電磁勢可以輕易地推導(dǎo)出電磁場。但電磁勢的概念曾一直被認為只是一個純粹的數(shù)學(xué)概念，不具有任何物理意義。
然而，在量子物理學(xué)中，事情變得更加有趣。1959年，物理學(xué)家阿哈羅諾夫（Yakir Aharonov）和玻姆（David Bohm）提出了一個“思想實驗”，將電磁勢與可測量的結(jié)果聯(lián)系了起來。在這個思想實驗中，一束電子被分成兩條路徑，分別繞著一個圓柱形的螺線圈的兩側(cè)運動，磁場被限制在線圈內(nèi)部。因此這兩條電子路徑可以穿過一個沒有場存在的區(qū)域，但這個沒有場的區(qū)域的電磁勢并不為零。
阿哈羅諾夫-玻姆效應(yīng)是一種量子力學(xué)效應(yīng)。在這種效應(yīng)中，當(dāng)粒子繞著一個包含磁場的區(qū)域運動時，它的相位會發(fā)生改變，即便粒子經(jīng)過的地方的磁場都為零。| 圖片來源：E.Cohen et al., Nature Rev. Phys.,2019
阿哈羅諾夫和玻姆從理論上論證了這兩條不同路徑上的電子會經(jīng)歷不同的相位變化，當(dāng)這兩條路徑上的電子再重新結(jié)合時，可以產(chǎn)生可被檢測到的干涉效應(yīng)。由于相位的變化可以從磁場的強度計算得到，所以干涉可以被解釋為電子實際上從未穿過磁場的效應(yīng)。如今，阿哈羅諾夫-玻姆效應(yīng)早已經(jīng)被許多實驗驗證。
微弱的引力效應(yīng)
在新研究中，物理學(xué)家通過實驗證實了引力中也可以出現(xiàn)同樣不可思議的物理現(xiàn)象。
一直以來，當(dāng)科學(xué)家想要用引力來進行類似的實驗時，一個最大的挑戰(zhàn)就是相比于電磁力，引力效應(yīng)實在是太微小、太難以捕捉了。幾十年來，物理學(xué)家一直在試圖設(shè)計能夠檢測這種效應(yīng)的實驗，但直到2012年，由Michael Hohensee帶領(lǐng)的團隊才構(gòu)想出了一個可以用當(dāng)前技術(shù)實現(xiàn)的實驗方案。
Hohensee等人的想法是，首先制造出超冷原子，然后用脈沖激光束來控制它們的運動，包括讓它們進入一個引力勢（而不是場）不同于其他位置的區(qū)域。如果能夠?qū)⒁粋€原子分裂成兩個物質(zhì)波，將它們移動到具有不同引力勢的區(qū)域，再將它們重新拉回一起，就能觀察到它們產(chǎn)生的干涉圖樣，測量它們的相位，從而量化引力阿哈羅諾夫-玻姆效應(yīng)。
在實驗室制造“原子噴泉”
十年后，物理學(xué)家Chris Overstreetda與他的同事利用原子干涉儀，首次在引力中探測到了阿哈羅諾夫-玻姆效應(yīng)。
在新的實驗中，他們制造了一個“原子噴泉”，將超冷銣原子發(fā)射到一個10米高的真空管中，讓原子在管中做自由落體運動。研究人員通過在不同的時間發(fā)射一系列激光脈沖來控制原子噴泉，從而對這些原子波包進行分裂、定向、重組，使得每個原子可以同時處于兩條路徑的量子疊加態(tài)中。
在量子力學(xué)中，微觀粒子的行為像波，所以每個粒子可以表示為“波包”。在“原子噴泉”實驗，原子從真空管底部垂直發(fā)射，并遵循自由落體軌跡。在三個不同的時間，激光脈沖可以對原子的波包進行分離、定向和重組。| 參考來源：A. Roura
在真空管的頂部，有一個質(zhì)量為1.25公斤的鎢環(huán)。一條路徑中的原子飛得很高，離鎢環(huán)很近；另一條路徑中的原子則飛得更低，離鎢環(huán)更遠。兩條路徑最多可相距25厘米。這么做是為了檢測由時間膨脹造成的微小相移，因為在一個引力勢中，廣義相對論預(yù)言兩個不同高度的時鐘會以略微不同的速度流逝。當(dāng)原子重新聚集在一起產(chǎn)生干涉圖樣時，研究人員就可以從兩條路徑的干涉信號中，讀取到它們所經(jīng)歷的相位變化的差異。
值得注意的是，這些原子并不是在一個沒有引力場的區(qū)域內(nèi)飛行。相反，這個實驗的設(shè)計是為了讓研究人員能夠過濾掉引力的影響，只顯示奇異的阿哈羅諾夫-玻姆效應(yīng)。
要觀測這一效應(yīng)，物理學(xué)家需要考慮由鎢環(huán)的引力（引力場）拖曳而產(chǎn)生的相移。為了在實驗中實現(xiàn)這一點，研究人員會不斷改變沿著飛得更高的路徑的原子與鎢環(huán)之間的最小距離，繪制出了兩條路徑與鎢環(huán)距離之間相位差的變化曲線。
當(dāng)兩條路徑相距更近，這時波包的間距相比于和鎢環(huán)的距離就很小，因此應(yīng)該對時間膨脹不敏感。事實證明，的確如此。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原子干涉儀中的兩條路徑之間的距離相差較小時，測得的相位曲線與預(yù)期中的僅由引力場所引起的相移相吻合。
但當(dāng)這兩條路徑的距離相差更大時，情況就有所不同了，結(jié)果表明，這時還存在除引力場之外的“其它事物”引發(fā)了相移。研究人員將這種“其它事物”解釋為相對論性的時間膨脹，他們認為這表明引力產(chǎn)生了類似于電磁相互作用引發(fā)的阿哈羅諾夫-玻姆相移。
微小的現(xiàn)象，了不起的成就
這是一種非常微小的、難以捕捉的現(xiàn)象，但在足夠靈敏的原子干涉術(shù)的幫助下，物理學(xué)家探測到了這種變化。如此一來，新的實驗不僅在新的設(shè)定下重現(xiàn)了奇異的阿哈羅諾夫-玻姆效應(yīng)，也展示了引力系統(tǒng)中可能蘊含著許多微妙效應(yīng)的潛力。
此外，通過這一實驗，研究人員還注意到觀測到的相移與原子的質(zhì)量成正比，這些相位變化取決于普朗克常數(shù)（h）和牛頓的引力常數(shù)（G） 。引力常數(shù)G是一個揭示了引力強度的自然常數(shù)，然而到目前為止，我們對它的認識遠不如其他基本自然常數(shù)那么精確。研究人員認為，新研究中所使用的原子干涉儀裝置，將可以被用來更好地測量引力常數(shù)的值。
廣義相對論和量子力學(xué)是這個實驗的兩個基礎(chǔ)理論。一直以來，物理學(xué)家都希望能夠?qū)⑺鼈兘Y(jié)合起來描述現(xiàn)實。新的結(jié)果是一項了不起的成就，它顯示的是量子力學(xué)在引力作用下的巨大勝利，雖然這還不足以證明引力本身的量子本質(zhì)，但也許有一天，物理學(xué)家會實現(xiàn)這個目標(biāo)。
#創(chuàng)作團隊：
撰文：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://physicsworld.com/a/physicists-detect-an-aharonov-bohm-effect-for-gravity/
https://www.sciencenews.org/article/quantum-particles-gravity-spacetime-aharonov-bohm-effect
https://www.space.com/space-time-curvature-measured-atomic-fountain
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl7152
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm6854
https://physics.aps.org/story/v28/st4
https://physics.aps.org/articles/v5/s87
#圖片來源：
封面圖 & 首圖：原理
