愛因斯坦的等效原理也適用於量子對象

2021-02-08 怪羅

愛因斯坦的引力理論的核心思想是等效原理。也就是說，物體在引力的作用下就會以同樣的速度下落，無論它們的質量或組成如何。只要沒有空氣阻力，同時扔下一根羽毛和一個保齡球，它們將會同時撞到地上。但是，如果一個物體正在旋轉，而另一個沒有會怎樣呢？它們會以同樣的速度下落嗎？

我們知道，物體的旋轉會對其下落造成影響。當諸如地球這樣的物體旋轉時，它會產生一種被稱為參考系拖拽的效應，這會輕微扭曲時間和空間（這如同在盛滿糖漿的大碗中的運動橡皮球，當球運動時會帶動糖漿一起運動）。對黑洞合併過程的計算機模擬顯示，兩個旋轉黑洞的合併速度不同於沒有旋轉的情況。所以在大尺度上，引力確實會受到旋轉的影響。

這使得一些理論者懷疑，這樣的轉動效應可能是把愛因斯坦的引力與量子理論的原子和分子連接在一起的一種方式。事實證明，原子和其他量子粒子有一種被稱為自旋的屬性。如果我們把原子想像成一個小球體，我們能想像它就像旋轉的小球體一樣自轉。問題是，原子並不是小球體，而這種自旋並非物理旋轉。自旋是量子對象的一種固有屬性，這種行為類似於我們每天都能看到的旋轉形式。

那麼，一個有自旋的原子其下落速度會不同於沒有自旋的情況嗎？更具體地說，等效原理適用於自旋量子對象嗎？最近的一項實驗通過比較不同自旋方向的銣原子的自由落體來測試了這個問題。

該研究團隊比較了自旋+1和-1的銣原子的重力加速度。利用我們的旋轉球進行類比，這兩種自旋情況就像是比較球體相對於北極順時針旋轉VS逆時針旋轉。他們發現，這兩個自旋方向的原子在一千萬分之一的誤差內以同樣的速度下落，這是他們實驗所能觀測的極限。換言之，自旋對原子的下落速度並沒有影響。

這個結果並非完全出乎意料。人們普遍認為等效原理適用於經典對象和量子對象。然而，這項實驗確實排除了一些試圖統一引力和量子理論的更激進模型。

現在我們知道，等效原理甚至適用於量子世界。

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