伽利略著名的引力实验成立即使是单个原子

根据传说，伽利略从比萨斜塔上落下重物，表明重力导致不同质量的物体以相同的加速度下落。近年来，研究人员开始以这位意大利科学家可能从未想过的方式——通过放置原子来复制这项测试。

一项新的研究描述了迄今为止最灵敏的原子坠落测试，并表明伽利略的引力实验仍然有效——即使对于单个原子也是如此。物理学家在PhysicalReviewLetters发表的一篇论文中报告说，两种不同类型的原子具有相同的加速度，误差在万亿分之一左右，即0.0000000001%。

与之前的原子坠落试验相比，新研究的灵敏度提高了一千倍。“它代表了一次飞跃，”佛罗伦萨大学的物理学家GuglielmoTino说，他没有参与这项新研究。

研究人员比较了两种不同同位素的铷原子，即原子核中含有不同数量中子的原子。该团队在真空下的管子中发射了约8.6米高的这些原子云。研究人员发现，随着原子的上升和下降，两种变体的加速速度基本相同。

在再次证实伽利略的引力实验时，结果支持了等效原理，这是爱因斯坦引力理论和广义相对论的基础。该原理指出，一个物体的惯性质量决定了它在施加力时的加速度，它等于它的引力质量，它决定了它感受到的引力有多强。结果：物体在重力作用下的加速度并不取决于它的质量或成分。

至此，等效原理经受住了各种考验。但是受量子力学奇异定律支配的原子可能会暴露出它的弱点。“当你用原子做测试时......你正在测试等效原理并以新的方式强调它，”斯坦福大学的物理学家MarkKasevich说。

Kasevich及其同事使用原子干涉测量法研究了微小粒子，该方法利用量子力学进行极其精确的测量。在原子的飞行过程中，科学家们将原子置于一种称为量子叠加的状态，在这种状态下，粒子没有一个确定的位置。相反，每个原子都存在于两个位置的叠加中，相距最多7厘米。当原子的两个位置回到一起时，原子以一种精确显示它们的相对加速度的方式相互干扰。

许多科学家认为等效原理最终会动摇。澳大利亚布里斯班昆士兰大学的物理学家MagdalenaZych说：“我们有合理的预期，我们目前的理论……并不是故事的结局。”她没有参与这项研究。这是因为量子力学——描述非常小的反直觉物理学的物理学分支——与广义相对论没有很好地结合，导致科学家们寻找一种可以统一这些想法的量子引力理论。许多科学家怀疑新理论违反等效原理的量太小，迄今为止进行的测试无法检测到。

但物理学家希望在未来改进这种基于原子的测试，例如通过在太空中进行这些测试，物体可以在太空中长时间自由落体。空间中的等效原理测试已经用金属圆柱体进行过，但还没有用原子进行(SN:12/4/17)。