重力并不care量子自旋? 大一统理论发展受阻

正如你所知道的,物理学建立在两大成功的理论之上。在大尺度上,银河系、行星以及其它宏观物体都服从引力的支配。但就像小孩儿一样,所有的微观物体都对引力“视而不见”,他们遵守的规则乃是由量子力学描述。但和小孩儿不同之处在于,没有人真正理解是什么让相对论和量子力学理论无法统一。

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物理学家们拒绝相信两种理论是水火不相容的,他们不懈地努力寻找将二者统一起来的办法。建立大一统理论的基石之一就是找到统一引力和量子力学的办法。比如,如果一个粒子受到的引力取决于这个粒子的内部量子态,这就是两种理论有深层联系的有力证据。尝试统一引力和量子力的尝试中,最新进展是一种叫做自旋的量子性质。

自由落体,并不自由

广义相对论的基石之一就是物体沿直线穿越弯曲的时空。按照这个理论,如果两个物体具有相同的重量,那么在进行自由落体的时候它们的轨迹应该是完全相同的。这就是我们从伽利略时代就观察到的现象。虽然历史上伽利略的实验似乎以尴尬收场,因为空气阻力不同。

物体的量子态似乎也不会对自由落体产生什么影响。但是,如果广义相对论和量子力学真的都是一种更基本的理论的分支的话,至少在某些层面,不同的量子态应该会影响到引力的作用。

要想观测到这样的现象,就必须在非常小的尺度下测量自由落体轨迹的变化。一直以来,这样的实验一直被认为是不可能做到的。直到最近,借助玻色-爱因斯坦凝聚理论,人们才把这项实验变成现实。玻色-爱因斯坦凝聚体本身并不能提供实验用到的工具,但用于创造凝聚体的设备却发挥了很大作用,它让科学家得以在无比细腻的精度上操纵原子云。这种前所未有的精度正是中国科学家最近的自由落体实验的基础。

如潮似涌

这项新实验背后的理论基础是很简单的。如果你想要测量重力带来的加速度,你就做一个原子喷泉,然后测量一个原子从喷泉底部运动到顶部再落回底部所需的时间。只要你知道原子的初始速度,并且准确测量时间,就可以计算出重力加速度。为此,你需要在一个特定的时间让原子云具有一个特定的动量。

接着你需要准确地测量时间。科学家们通过观察量子态随时间的变化来做到这一点。这也意味着你的原子云必须具有特定的量子态。

如果你把原子云调整为两种量子态的叠加态,那么叠加态就会随时间而变化。这是什么意思?比方说我设置了一个A态和B态的叠加态。那么我会得到一个A态混合B态的粒子吗?不会,我要么得到一个A态,要么是一个B态。但关键来了,得到A态(或B态)的概率会随时间而摆动。所以在某一个时刻,得到A态的概率可能是50%,一段时间之后变成了75%,再过一段时间变成了100%。接着概率会开始下降,直到0%,然后再次开始增加,整个过程又开始重复。

这种概率的摆动在特定的环境下是遵循规律的。所以在受控实验环境下,我在原子云飘出喷泉顶端的时候启动叠加态,然后在一定时间过后,我测量每个原子的量子态。通过计算A态和B态的比率,我可以算出此时A态出现的概率。这样我就知道了原子下落经过的时间,那么解出原子在喷泉中所受的重力也就不是什么难事了。

一旦你想明白了这些,这个实验就变得简单的不能再简单了。基本上,你需要做的就是给你的原子云设置几个不同的量子态,然后测量它们的下落时间。接着换一种量子态再测量一遍,看看不同量子态下自由落体的时间是否有差异。如果有差异,恭喜你发现了广义相对论和量子力学具有深层联系的证据。简单吗?

其实操作起来,这个试验实际上是非常非常困难的。

旋转,跳跃

很明显,这项实验要求你选择两个量子态来作比较。在中国科学家的实验中,他们选择了将重力和粒子自身的角动量(也就是自旋)耦合在一起进行试验。这一选择是明智的,因为我们知道宏观物体在旋转时会对周围的引力场产生影响。所以取决于角动量的方向和大小,对局部引力场昌盛的影响也不同。那么我们能够在量子态下观测到这一经典现象吗?

然而,量子自旋注定不是寻常物,它竟然和本体自身的旋转没有关系。实际上,如果你计算电子需要多快的自旋速度才能产生观测到的角动量,你会得到一个匪夷所思的数字,特别是你把“电子是实体粒子”的说法当真的时候。但无论如何,电子、质子以及它们复合而成的原子,都本身带有角动量。所以一项比较粒子同样大小、不同方向的自旋对自由落体产生的影响的实验完全说得通。

除了一点:磁场。粒子的自旋也与它的磁力矩相耦合。也就是说如果原子喷泉周围的磁场出现了一丁点变化,整个原子云都会受到影响。而科学家们想要测量两种不同方向的自旋的话,这一点就很不好。也就是说科学家们一定会观测到两个喷泉中原子的轨迹不同,但这一差异的主要原因是磁场,而不是不同的重力。

所以这个实验的核心挑战其实是消除“闯入”的磁场。实际上,科学家们在论文中花费了大量的笔墨描述自己是如何测量磁场,然后使用电磁铁来抵消它的。他们甚至发明了一种新的测量技术来补偿一部分磁场的起伏。主要来讲,他们的实验是成功的。

那么,重力在乎量子态吗?

答案是:不。科学家们得出了否定的结论。也就是说,至少在他们的测量精度下,没有发现任何不同量子态所受引力不同的证据。

但话又说回来,这次试验只是这条道路上的初期尝试。可以预见,这些科学家在未来几年里会大幅提高实验精度。而且在这次试验里用到的策略可以给许多其它高精度时间提供启发。

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