重力並不care量子自旋? 大一統理論發展受阻

正如你所知道的，物理學建立在兩大成功的理論之上。在大尺度上，銀河系、行星以及其它宏觀物體都服從引力的支配。但就像小孩兒一樣，所有的微觀物體都對引力「視而不見」，他們遵守的規則乃是由量子力學描述。但和小孩兒不同之處在於，沒有人真正理解是什麼讓相對論和量子力學理論無法統一。

物理學家們拒絕相信兩種理論是水火不相容的，他們不懈地努力尋找將二者統一起來的辦法。建立大一統理論的基石之一就是找到統一引力和量子力學的辦法。比如，如果一個粒子受到的引力取決於這個粒子的內部量子態，這就是兩種理論有深層聯繫的有力證據。嘗試統一引力和量子力的嘗試中，最新進展是一種叫做自旋的量子性質。

自由落體，並不自由

廣義相對論的基石之一就是物體沿直線穿越彎曲的時空。按照這個理論，如果兩個物體具有相同的重量，那麼在進行自由落體的時候它們的軌跡應該是完全相同的。這就是我們從伽利略時代就觀察到的現象。雖然歷史上伽利略的實驗似乎以尷尬收場，因為空氣阻力不同。

物體的量子態似乎也不會對自由落體產生什麼影響。但是，如果廣義相對論和量子力學真的都是一種更基本的理論的分支的話，至少在某些層面，不同的量子態應該會影響到引力的作用。

要想觀測到這樣的現象，就必須在非常小的尺度下測量自由落體軌跡的變化。一直以來，這樣的實驗一直被認為是不可能做到的。直到最近，藉助玻色-愛因斯坦凝聚理論，人們才把這項實驗變成現實。玻色-愛因斯坦凝聚體本身並不能提供實驗用到的工具，但用於創造凝聚體的設備卻發揮了很大作用，它讓科學家得以在無比細膩的精度上操縱原子云。這種前所未有的精度正是中國科學家最近的自由落體實驗的基礎。

如潮似湧

這項新實驗背後的理論基礎是很簡單的。如果你想要測量重力帶來的加速度，你就做一個原子噴泉，然後測量一個原子從噴泉底部運動到頂部再落回底部所需的時間。只要你知道原子的初始速度，並且準確測量時間，就可以計算出重力加速度。為此，你需要在一個特定的時間讓原子云具有一個特定的動量。

接著你需要準確地測量時間。科學家們通過觀察量子態隨時間的變化來做到這一點。這也意味著你的原子云必須具有特定的量子態。

如果你把原子云調整為兩種量子態的疊加態，那麼疊加態就會隨時間而變化。這是什麼意思？比方說我設置了一個A態和B態的疊加態。那麼我會得到一個A態混合B態的粒子嗎？不會，我要麼得到一個A態，要麼是一個B態。但關鍵來了，得到A態（或B態）的概率會隨時間而擺動。所以在某一個時刻，得到A態的概率可能是50%，一段時間之後變成了75%，再過一段時間變成了100%。接著概率會開始下降，直到0%，然後再次開始增加，整個過程又開始重複。

這種概率的擺動在特定的環境下是遵循規律的。所以在受控實驗環境下，我在原子云飄出噴泉頂端的時候啟動疊加態，然後在一定時間過後，我測量每個原子的量子態。通過計算A態和B態的比率，我可以算出此時A態出現的概率。這樣我就知道了原子下落經過的時間，那麼解出原子在噴泉中所受的重力也就不是什麼難事了。

一旦你想明白了這些，這個實驗就變得簡單的不能再簡單了。基本上，你需要做的就是給你的原子云設置幾個不同的量子態，然後測量它們的下落時間。接著換一種量子態再測量一遍，看看不同量子態下自由落體的時間是否有差異。如果有差異，恭喜你發現了廣義相對論和量子力學具有深層聯繫的證據。簡單嗎？

其實操作起來，這個試驗實際上是非常非常困難的。

旋轉，跳躍

很明顯，這項實驗要求你選擇兩個量子態來作比較。在中國科學家的實驗中，他們選擇了將重力和粒子自身的角動量（也就是自旋）耦合在一起進行試驗。這一選擇是明智的，因為我們知道宏觀物體在旋轉時會對周圍的引力場產生影響。所以取決於角動量的方向和大小，對局部引力場昌盛的影響也不同。那麼我們能夠在量子態下觀測到這一經典現象嗎？

然而，量子自旋註定不是尋常物，它竟然和本體自身的旋轉沒有關係。實際上，如果你計算電子需要多快的自旋速度才能產生觀測到的角動量，你會得到一個匪夷所思的數字，特別是你把「電子是實體粒子」的說法當真的時候。但無論如何，電子、質子以及它們複合而成的原子，都本身帶有角動量。所以一項比較粒子同樣大小、不同方向的自旋對自由落體產生的影響的實驗完全說得通。

除了一點：磁場。粒子的自旋也與它的磁力矩相耦合。也就是說如果原子噴泉周圍的磁場出現了一丁點變化，整個原子云都會受到影響。而科學家們想要測量兩種不同方向的自旋的話，這一點就很不好。也就是說科學家們一定會觀測到兩個噴泉中原子的軌跡不同，但這一差異的主要原因是磁場，而不是不同的重力。

所以這個實驗的核心挑戰其實是消除「闖入」的磁場。實際上，科學家們在論文中花費了大量的筆墨描述自己是如何測量磁場，然後使用電磁鐵來抵消它的。他們甚至發明了一種新的測量技術來補償一部分磁場的起伏。主要來講，他們的實驗是成功的。

那麼，重力在乎量子態嗎？

答案是：不。科學家們得出了否定的結論。也就是說，至少在他們的測量精度下，沒有發現任何不同量子態所受引力不同的證據。

但話又說回來，這次試驗只是這條道路上的初期嘗試。可以預見，這些科學家在未來幾年裡會大幅提高實驗精度。而且在這次試驗裡用到的策略可以給許多其它高精度時間提供啟發。