[科普中国]-原子的“比萨斜塔实验”

图1 人民教育出版社《两个铁球同时着地》课文插图

还记得少年时代课本上《两个铁球同时着地》的故事吗？故事讲的是25岁的数学教授伽利略在比萨斜塔上，当众同时抛下了重量分别为1磅和10磅的两个铁球，用实验否定了统治2000多年的亚里士多德的权威理论。
这篇课文向儿时的我们传递了不要迷信权威，勇于坚持真理的科学精神。后来我们慢慢明白了这中间日常经验与真相迥然不同的根源在于对空气阻力的忽视。既然如此，那么真空中两个物体下落就可能不会有任何差别。顺理成章地，很多人甚至还设想过棉花和铁块在真空中的落体实验。但是，有谁设想过用服从量子力学规律的微观原子来做这个实验吗？原子的“比萨斜塔实验”会不会出现让人意想不到的结果？让我们一起来认识这个实验。
“比萨斜塔实验”与大思想家们的渊源

图2 亚里士多德与伽利略

小贴士
伽利略无疑研究过落体实验，但他有没有在比萨斜塔上做过这个实验却很有争议。有人考证认为事件本身很可能是其学生维维安尼杜撰的，然而，这并不影响“比萨斜塔实验”在科学史上的象征意义。在2002年由美国物理学家发起的物理学史上最美的十大实验投票活动中，“比萨斜塔实验”位列第二。
这种不同质量的物体从相同的高度自由下落同时着地的规律在现代物理学中被称为“弱等效原理”。

图3 牛顿与爱因斯坦

等效原理为何重要?
等效原理是广义相对论的基石，也是一种普适性原理。这里所说“普适性”，是指不同质量、不同材料的物体在任意尺度（如宏观、微观）、状态（如内部静止或转动）下，用不同的研究方法测量都应该是成立的。当然，作为一个假设，其是否成立取决于实验的测量结果。如果人们在实验测量中发现这一规律出现破缺（即等效原理不成立），那么我们就需要对广义相对论进行修正，物理学家们翘首以盼的物理学发展新时代也可能到来。
在物理学家心目中，建立一种可以描述所有物理现象的理论，即物理学的大统一理论，是大家追求的终极目标。现代物理学已知的四种基本相互作用力中，除引力外，另外三种基本相互作用力（电磁相互作用力、强相互作用力和弱相互作用力）已经通过标准模型理论实现了统一。物理学家们构建的试图将引力与标准模型统一的新理论（如超弦理论），几乎都要求等效原理不再成立。因此，检验等效原理的实验成为验证这些新理论的重要途径。
等效原理的现代科学实验
等效原理在当今物理学中至关重要，实验检验等效原理成为基础物理学研究的前沿和热点。自牛顿后，有不少优秀的物理学家穷尽毕生所能开展实验，并不断刷新测量精度。无疑，每次精度的提高都是极具挑战性的工作。
当前，除了我们熟知的“比萨斜塔”式自由落体实验，还包括月球激光测距、扭秤等与之类似但方案不同的实验。这几类宏观物体的检验实验给出的最新测量精度（后文插图中有定义公式）在10-10-10-13量级，但到目前为止，所有的实验都证明等效原理是成立的。
与此同时，人们也把目光投向了未来太空卫星实验以期在更高精度上检验等效原理。还有人甚至考虑用反物质粒子作为检验样品，因为材质的差异越大，等效原理破缺的可能性就越大。

图4 上个世纪70年代阿波罗登月计划中置于月球表面的激光反射镜，用于地-月激光测距实验。（图片来源于维基百科Lunar Laser Ranging experiment词条）

图5 匈牙利物理学家厄阜发明了测量引力的扭秤，这是目前在实验室内检验等效原理精度最高的实验方法。（图片来源于百度百科扭称词条）
为什么要用原子来做“比萨斜塔实验”
无疑，原子的量子特性（如波粒二象性）是吸引人们开展微观尺度等效原理实验研究重要的原因。服从量子力学规律的原子，是否可能因为其量子特性的存在，当用其作为实验中的检验质量时，使得等效原理变得更容易破缺？
另外，人类掌握的最精密测量技术（冷原子光钟，其长期稳定性可达到百亿亿分之一）是在原子上实现的。那么，用原子作为测量质量，是否可能达到比宏观手段更高的测量精度？
这些因素都强烈地激发着人们的好奇心，推动着原子“比萨斜塔实验”的进程。
如何用原子来做“比萨斜塔实验”
用原子进行“比萨斜塔实验”是人们很早就有的梦想，但是常温下原子无规则的运动速度高达每秒数百米，人们对其进行有效的操控都非常困难，更不用说开展精密的“比萨斜塔实验”。这种现实与理想的鸿沟，随着上个世纪末激光冷却原子技术的迅速发展而消失。

图6 进行冷原子实验的真空落塔装置以及被磁光阱技术囚禁的冷原子团

利用激光冷却原子的技术，物理学家可以在短短几秒内囚禁近十亿个原子，并将它们冷却到接近绝对零度（百万分之一开尔文甚至更低的水平），这时候原子热运动速度只有厘米每秒的量级，利用现有的技术手段已经能实现非常精密的操控了。制备完冷原子后，利用一种名为“移动光学粘胶”的技术，可以实现这团冷原子的上抛，形成一个自由落体的“原子喷泉”。这一过程与“比萨斜塔实验”基本相同，只是“比萨斜塔实验”采用的是自由下落，而这里是先上抛，再自由下落。

图7 实现原子“比萨斜塔实验”需要建立复杂而精密的激光系统

日常经验中，我们判断两个物体谁先着地，是看哪个物体的边缘先接触地面。然而，这并不是一种高精度的测量方法，对于还存在一定热运动扩散难以界定边缘的原子团则更是如此。巧的是，会扩散的原子可以通过物质波干涉仪的技术来实现“比萨斜塔实验”，进而检验等效原理。通过特定激光脉冲操控，可以实现原子干涉技术，原子自由下落过程的信息将被记录在其干涉条纹中，通过对原子的荧光探测就可以提取这些信息。目前，国际上最为精密的绝对重力测量技术就是基于这种方法。
将两种不同原子放在一起开展实验，通过比较它们各自的原子干涉条纹的信息，就可以得到较高精度的等效原理检验结果。
原子“比萨斜塔实验”得到的结果和意义
在武汉，中科院武汉物理与数学研究所詹明生研究小组正在开展原子的“比萨斜塔实验”。该研究小组采用铷元素的两个同位素85Rb和87Rb进行实验，在亿分之三的测量精度下，研究人员发现原子依然遵守弱等效原理。这个结果在国际上首次把微观尺度等效原理检验精度推进到亿分之一的数量级，因而被国际物理学顶尖杂志《物理评论快报》接收发表。

图8 原子“比萨斜塔实验”

接下来的问题是，在比亿分之一更高的精度下，原子的弱等效原理是否依然成立？这有待进一步的实验。目前，武汉物理与数学研究所科研人员正在研制国际上最高的十米原子干涉仪实验装置，希望能再次刷新这一结果。

图9 十米原子干涉仪，武汉

后记
每个人在小时候可能都玩过“比萨斜塔”式的抛物游戏，对这类简单游戏的观察和反复思考，会让我们慢慢积累一些对大自然规律表象之外更为深刻的认知，而人类探索未知的过程也是如此。
“比萨斜塔实验”中蕴含的思想，先后在亚里士多德、伽利略、牛顿、爱因斯坦等古往今来最伟大思想家们的脑海中不断升华，拓展着人类认识自然世界的边界，这种进步也是人类思想与智慧发展的印迹。
2015年正是爱因斯坦广义相对论诞生一百周年，在人类探索未知世界的旅途中，“比萨斜塔实验”依然处在前沿。