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(shù)學(xué)教授伽利略在比薩斜塔上，當(dāng)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(tǒng)治2000多年的亞里士多德的權(quán)威理論。
這篇課文向兒時的我們傳遞了不要迷信權(quán)威，勇于堅持真理的科學(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(shè)想過棉花和鐵塊在真空中的落體實驗。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實驗嗎？原子的“比薩斜塔實驗”會不會出現(xiàn)讓人意想不到的結(jié)果？讓我們一起來認(rèn)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(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“比薩斜塔實驗”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)史上最美的十大實驗投票活動中，“比薩斜塔實驗”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）下，用不同的研究方法測量都應(yīng)該是成立的。當(dāng)然，作為一個假設(shè)，其是否成立取決于實驗的測量結(jié)果。如果人們在實驗測量中發(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(xiàn)代科學(xué)實驗
等效原理在當(dāng)今物理學(xué)中至關(guān)重要，實驗檢驗等效原理成為基礎(chǔ)物理學(xué)研究的前沿和熱點。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驗，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（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(wèi)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(zhì)粒子作為檢驗樣品，因為材質(zhì)的差異越大，等效原理破缺的可能性就越大。
圖4 上個世紀(jì)70年代阿波羅登月計劃中置于月球表面的激光反射鏡，用于地-月激光測距實驗。（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，這是目前在實驗室內(nèi)檢驗等效原理精度最高的實驗方法。（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(xué)規(guī)律的原子，是否可能因為其量子特性的存在，當(dāng)用其作為實驗中的檢驗質(zhì)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(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？
這些因素都強烈地激發(fā)著人們的好奇心，推動著原子“比薩斜塔實驗”的進(jìn)程。
如何用原子來做“比薩斜塔實驗”
用原子進(jìn)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(guī)則的運動速度高達(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“比薩斜塔實驗”。這種現(xiàn)實與理想的鴻溝，隨著上個世紀(jì)末激光冷卻原子技術(shù)的迅速發(fā)展而消失。
圖6 進(jìn)行冷原子實驗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），這時候原子熱運動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“移動光學(xué)粘膠”的技術(shù)，可以實現(xiàn)這團(tuán)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”采用的是自由下落，而這里是先上拋，再自由下落。
圖7 實現(xiàn)原子“比薩斜塔實驗”需要建立復(fù)雜而精密的激光系統(tǒng)
日常經(jīng)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，這并不是一種高精度的測量方法，對于還存在一定熱運動擴(kuò)散難以界定邊緣的原子團(tuán)則更是如此。巧的是，會擴(kuò)散的原子可以通過物質(zhì)波干涉儀的技術(shù)來實現(xiàn)“比薩斜塔實驗”，進(jìn)而檢驗等效原理。通過特定激光脈沖操控，可以實現(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(jié)果。
原子“比薩斜塔實驗”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采用銣元素的兩個同位素85Rb和87Rb進(jìn)行實驗，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。這個結(jié)果在國際上首次把微觀尺度等效原理檢驗精度推進(jìn)到億分之一的數(shù)量級。
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(jìn)一步的實驗。
圖9 十米原子干涉儀，武漢
后記
每個人在小時候可能都玩過“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。
“比薩斜塔實驗”中蘊含的思想，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，“比薩斜塔實驗”依然處在前沿。
