自由落体在量子尺度下的检验

作者: 罗会仟

来源: 罗会仟科学网博客

发布日期: 2014-06-02 04:13:19

本文讲述了伽利略在比萨斜塔的自由落体实验,以及牛顿通过苹果发现万有引力的故事,最后介绍了德国科学家在量子尺度下对自由落体定律的检验。

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。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。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!

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?

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。

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