等效原理是爱因斯坦广义相对论的基石。弱等效原理表述为：在地球表面之上的同样高度的真空管中让两个不同物体（无论什么材料或重量，比如一片羽毛和一颗保龄球）同时自由下落，在忽略管子中的残余空气的阻力并忽略地球表面弯曲的情况下，羽毛和保龄球将同时落地。更为熟悉的一个例子或许是伽利略在比萨斜塔上的实验。现在我们来思考这么一个问题，如果其中一个物体在旋转而另一个没有旋转呢？它们还会同时落地吗？
我们知道一个旋转的物体会影响它如何下落。当一个物体，比如地球的旋转，会造成惯性系拖曳效应，也就是说转动的地球会对其周围的时空产生拖曳的现象。对合并中的黑洞的计算机模拟显示两个旋转中的黑洞与两个不旋转的黑洞的合并速率不同。所以，在大尺度下引力受旋转影响。
这使一些理论物理学家好奇，这样的旋转效应有没有可能作为连接爱因斯坦的引力和量子理论之间的一座桥梁。我们知道，原子和其它量子粒子有一个叫做自旋的基本性质。如果我们把原子想象成一个小球，我们就可以把自旋想象成旋转。但我们知道原子并不是小球，自旋也不是物理旋转。自旋是量子物体的一个内在禀性，它表现的跟我们日常见到的旋转相似。
现在我们可以问，一个自旋的原子跟一个非自旋的原子在引力场中是否同时落地？最近就有这么一项实验，利用不同自旋取向的铷原子来检验自由下落的普适性。
华中大物理学院引力中心胡忠坤教授带领的团队采用了原子干涉法测量了自旋为+1和-1的原子在引力场中的下落的加速度差。 用一个旋转球体做类比，这就像是比较顺时针旋转的球和逆时针旋转的球。实验结果表明，两个不同自旋取向的原子，在1.2 × 10⁻⁷的水平上，等效原理依然成立。换句话说，自旋对原子下落的加速度并没有影响。
这样的结果并不是完全出乎意料的。物理学家通常认为等效原理在经典领域和量子领域都应该成立。物理学家构建了许多理论想要把引力与其他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）统一起来，但几乎所有的的统一理论都要求等效原理破缺。而该实验的结果就直接排除了一些想要统一引力和量子理论的“疯狂”模型。
参考文献：
【1】Xiao-Chun Duan, et al. Test of the Universality of Free Fall with Atoms in Different Spin Orientations. Phys. Rev. Lett. 117, 023001 (2016). arXiv:1602.06377
发表于 2017-7-9 02:42
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