中科大首次精确测量引力对量子自旋的影响

我们知道，自然界有四种基本力：电磁力、强力、弱力和引力。这四种力都可以用粒子的交换来解释，比如电磁力是由光子交换产生的，强力是由胶子交换产生的，弱力是由W和Z玻色子交换产生的，而引力是由引力子交换产生的。不过，目前我们还没有观测到引力子的存在，所以引力的量子理论还没有完善。

根据广义相对论，引力是由时空的弯曲产生的，而时空的弯曲又取决于物质和能量的分布。广义相对论认为，引力只和物质和能量有关，而和粒子的自旋无关。

自旋是粒子固有的角动量，它可以看作是粒子绕自身轴旋转的结果。自旋是量子力学中一个重要的概念，它决定了粒子的磁性和统计性质。根据标准模型，电磁力、强力和弱力都会和粒子的自旋发生耦合，也就是说，这些力会改变或受到粒子自旋的影响。那么，引力是否也会和粒子自旋发生耦合呢？这是一个基本而重要的问题，它涉及到引力理论和量子理论之间的一致性。

如果引力和自旋有耦合，那么就意味着引力会违反宇称对称性（P）和时间反演对称性（T）。宇称对称性指的是空间坐标反转后物理定律不变，时间反演对称性指的是时间倒流后物理定律不变。电磁力和强力都满足P和T对称性，但是弱力不满足。那么引力是否也不满足呢？这是一个关于引力基本性质的问题。

为了检验引力和自旋之间是否有耦合，我们需要设计实验来测量这种耦合效应。现在，中国科学技术大学的一组研究人员，以前所未有的灵敏度寻找粒子的内在量子自旋与地球引力场之间的相互作用，填补了这一领域的空白。

实验方法

为了测量引力和自旋之间的耦合效应，我们需要一种能够精确测量粒子自旋进动频率的方法。自旋进动是指在外磁场中，粒子自旋会绕着磁场方向旋转，形成一个圆锥运动。自旋进动的频率和磁场的强度成正比，这个比例称为回旋频率。如果引力和自旋有耦合，那么自旋进动的频率还会受到引力场的影响，从而导致一个额外的频移。

他们使用了一种原子气体共磁强计来测量自旋进动频率。共磁强计是一种利用两种不同原子气体来抵消磁场噪声的装置。他们使用了Xe-129和Xe-131这两种氙的同位素，它们都有核自旋，但是回旋频率不同。他们把这两种气体放在一个真空室内，并施加一个均匀的外磁场。接着用激光光泵来激发氙气的核自旋极化，并用射频场来激发核磁共振。最后用光检测器来测量氙气的核磁共振信号，从而得到两种气体的核自旋进动频率。

研究人员把真空室安装在一个可翻转的平台上，并把平台放在地面上。我他们分别测量平台水平放置和垂直放置时的核自旋进动频率，并计算两种气体的频率比。如果引力和自旋有耦合，那么平台翻转时，引力场对两种气体的影响会不同，从而导致频率比发生变化。他们用一个高精度的陀螺仪来监测平台的倾角，并用一个高灵敏度的重力计来监测地面的重力加速度。他们还控制了实验室的温度、湿度、气压等环境因素，以排除其他可能造成频率比变化的原因。

实验结果

研究人员对平台水平放置和垂直放置时的核自旋进动频率比进行了多次测量，并对测量结果进行了统计分析。他们发现，平台翻转时，频率比没有发生明显的变化，也就是说，我们没有观测到引力和自旋之间的耦合效应。

实验结果还可以用来约束其他一些异常相互作用。例如，如果引力和自旋之间的耦合是由一种轴子类似的标量玻色子介导的，那么这种玻色子会在地球和实验室中粒子之间产生一种单极-偶极相互作用。根据实验结果，我们可以推断出轴子介导的单极-偶极相互作用的强度上限。这个上限比之前的实验结果提高了17倍，也就是说，我们对轴子介导的单极-偶极相互作用进行了更精确的检验。

实验还有进一步改进的空间。例如可以增加氙气的密度，提高核磁共振信号的强度；可以减小外磁场的噪声，提高核自旋进动频率的稳定性；可以增加平台翻转的次数，提高频率比变化的灵敏度。他们预计，通过这些改进，可以将实验精度提高一个数量级，从而对引力和自旋之间的耦合效应进行更深入的探索。