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自由落体在量子尺度下的检验 精选

已有 16027 次阅读 2014-5-27 10:38 |个人分类:科学评论|系统分类:科研笔记

   传说,1590年的意大利比萨,有一个叫伽利略的疯狂科学家,登上比萨斜塔顶层,当着众人的面,扔了


两个球——一个大铁球和一个小铁球。结果,两个球同时落地。伽利略用事实告诉人们,亚里士多德这位先


哲认为重的物体下降快是错误的,真的自由落体,大家的速度都是一样的。从此,伽利略开启了物理实验科


学的大门。我们应该庆幸,伽利略没有扔一个铁球和一片羽毛,要不然,实验结果就相当于证实了亚里士多


德的“理论预言”了。伽利略用两部《对话》(《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》和《两门新科


学的对话》)奠定了他在力学领域祖师爷的地位。1642年,伽利略终老逝世,同一年里,在英国的某庄园,


诞生了力学世界的接班人——艾萨克.牛顿。


伽利略的比萨斜塔实验

  牛顿同学有一个好习惯,喜欢没事跑到苹果树下思考问题,剑桥大学的一颗苹果树荫下,成了他的工作


台。终于有一天,一个四两二钱重的苹果熟了、掉了,砸在了这位天才的脑袋瓜上,然后,他开窍了。牛顿


认为世间万物存在一种相互作用,他称之为万有引力,重力和自由落体都是引力的后果。

   

苹果砸在牛顿脑袋上

牛顿不知道,如果威廉·泰尔(瑞士民族英雄,以射苹果一事闻名)没被通缉的话,他应该能更早地


发现万有引力定律。牛顿也是幸运的,他的万有引力定律并没有及时写paper送审发表,如果送审,他面临


的结果是:审稿人要求他重复实验结果,于是他只能整天坐在苹果树下,期待哪一天能够再砸一次!

 

牛顿的苹果也许可以早点砸下来

审稿人要牛顿同学重复实验结果

很多年过去了,物理学界掀起了一场狂风暴雨般的革命,量子力学和相对论横空出世。也许有人想问问


,在量子世界,自由落体定律还存在吗?我们如何在微观世界检验伽利略的斜塔实验或者实现牛顿的苹果落


地呢?


【广告】邢捕头关于牛顿苹果的故事,请猛击如下链接:

牛顿的苹果与海姆的青蛙

艰难的科普:中学生已经开始不知道牛顿和苹果的故事了

刘全慧老师关于自由落体的讨论:

桌面比萨斜塔实验与绳链中的反楞次定律


   最近一期的PRL发表了一篇关于自由落体的量子力学检验的paper,德国科学家采用铷原子和钾原子作为


两个不同质量的“球”,首先用磁场-激光冷却技术把它们“冷却”到微开的温度(接近绝对零度),冷静


下来的原子才能更好滴操控和监测。然后让两个原子自由落体,用激光脉冲监测它们的下落路径,并计算出


它们的重力加速度。最后他们的结论是:在千万分之一的精度下,可以认为两个原子同时“落地”,自由落


体定律在原子尺度仍然成立。



   具体介绍和原文请见如下:


Objects of different masses—such as feathers and bowling balls—should fall at the same rate in the absence of friction forces. However, some quantum gravity theories predict that gravitational acceleration may depend on an object’s properties, like its atomic makeup. A new experiment, described in Physical Review Letters, looks for such an effect by comparing for the first time the free-fall accelerations of different atomic elements in the same matter-wave interferometer. The results confirm the universality of free fall and may constrain alternative gravity models.

Many experiments over the years have tested free fall with lunar laser ranging and torsion balances. More recently, physicists have used matter-wave interferometry to measure gravitational acceleration of quantum particles. Although not yet as precise as macroscopic tests, interferometer experiments offer the possibility to directly test how gravity depends on quantum properties such as atomic spin.

Previous matter-wave interferometer tests have compared the free fall of two isotopes of the same atomic species. However, the isotopes are not different enough in their nuclear composition to evaluate certain gravitational models. To improve sensitivity, Ernst Rasel of the Leibniz University Hannover, Germany, and his colleagues have now compared different atomic species. They cooled rubidium and potassium atoms to microkelvin temperatures in a magneto-optical trap. When released, the atoms fell along two separate paths determined by laser pulses that acted like atom beam splitters and mirrors. When the paths recombined, the team observed an interference signal, from which they could derive the gravitational acceleration. The rubidium and potassium accelerations were the same to within about 1 part in 10 million. With further improvements, their sensitivity might reach the level of parts per billion. – Michael Schirber




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