科学家早已发现，在量子物理学中，粒子可以感受到它们从未直接接触过的磁场的影响。现在，一项刊登在《科学》杂志上的新研究表明，这种被称为阿哈罗诺夫-玻姆效应的奇异量子现象，不仅适用于磁场，也适用于引力。
阿哈罗诺夫-玻姆效应
在经典电磁学中，电场和磁场是负责所有物理效应的基本实体。例如，粒子只有在直接与电场或磁场接触的情况下，才会受到场的影响（如加速、减速、转弯）。
电磁场可以用一个被称为电磁势的量来表示，这个量在空间的任何地方都有一个值。从电磁势可以轻易地推导出电磁场。但电磁势的概念曾一直被认为只是一个纯粹的数学概念，不具有任何物理意义。
然而，在量子物理学中，事情变得更加有趣。1959年，物理学家阿哈罗诺夫（Yakir Aharonov）和玻姆（David Bohm）提出了一个“思想实验”，将电磁势与可测量的结果联系了起来。在这个思想实验中，一束电子被分成两条路径，分别绕着一个圆柱形的螺线圈的两侧运动，磁场被限制在线圈内部。因此这两条电子路径可以穿过一个没有场存在的区域，但这个没有场的区域的电磁势并不为零。
阿哈罗诺夫-玻姆效应是一种量子力学效应。在这种效应中，当粒子绕着一个包含磁场的区域运动时，它的相位会发生改变，即便粒子经过的地方的磁场都为零。| 图片来源：E.Cohen et al., Nature Rev. Phys.,2019
阿哈罗诺夫和玻姆从理论上论证了这两条不同路径上的电子会经历不同的相位变化，当这两条路径上的电子再重新结合时，可以产生可被检测到的干涉效应。由于相位的变化可以从磁场的强度计算得到，所以干涉可以被解释为电子实际上从未穿过磁场的效应。如今，阿哈罗诺夫-玻姆效应早已经被许多实验验证。
微弱的引力效应
在新研究中，物理学家通过实验证实了引力中也可以出现同样不可思议的物理现象。
一直以来，当科学家想要用引力来进行类似的实验时，一个最大的挑战就是相比于电磁力，引力效应实在是太微小、太难以捕捉了。几十年来，物理学家一直在试图设计能够检测这种效应的实验，但直到2012年，由Michael Hohensee带领的团队才构想出了一个可以用当前技术实现的实验方案。
Hohensee等人的想法是，首先制造出超冷原子，然后用脉冲激光束来控制它们的运动，包括让它们进入一个引力势（而不是场）不同于其他位置的区域。如果能够将一个原子分裂成两个物质波，将它们移动到具有不同引力势的区域，再将它们重新拉回一起，就能观察到它们产生的干涉图样，测量它们的相位，从而量化引力阿哈罗诺夫-玻姆效应。
在实验室制造“原子喷泉”
十年后，物理学家Chris Overstreetda与他的同事利用原子干涉仪，首次在引力中探测到了阿哈罗诺夫-玻姆效应。
在新的实验中，他们制造了一个“原子喷泉”，将超冷铷原子发射到一个10米高的真空管中，让原子在管中做自由落体运动。研究人员通过在不同的时间发射一系列激光脉冲来控制原子喷泉，从而对这些原子波包进行分裂、定向、重组，使得每个原子可以同时处于两条路径的量子叠加态中。
在量子力学中，微观粒子的行为像波，所以每个粒子可以表示为“波包”。在“原子喷泉”实验，原子从真空管底部垂直发射，并遵循自由落体轨迹。在三个不同的时间，激光脉冲可以对原子的波包进行分离、定向和重组。| 参考来源：A. Roura
在真空管的顶部，有一个质量为1.25公斤的钨环。一条路径中的原子飞得很高，离钨环很近；另一条路径中的原子则飞得更低，离钨环更远。两条路径最多可相距25厘米。这么做是为了检测由时间膨胀造成的微小相移，因为在一个引力势中，广义相对论预言两个不同高度的时钟会以略微不同的速度流逝。当原子重新聚集在一起产生干涉图样时，研究人员就可以从两条路径的干涉信号中，读取到它们所经历的相位变化的差异。
值得注意的是，这些原子并不是在一个没有引力场的区域内飞行。相反，这个实验的设计是为了让研究人员能够过滤掉引力的影响，只显示奇异的阿哈罗诺夫-玻姆效应。
要观测这一效应，物理学家需要考虑由钨环的引力（引力场）拖曳而产生的相移。为了在实验中实现这一点，研究人员会不断改变沿着飞得更高的路径的原子与钨环之间的最小距离，绘制出了两条路径与钨环距离之间相位差的变化曲线。
当两条路径相距更近，这时波包的间距相比于和钨环的距离就很小，因此应该对时间膨胀不敏感。事实证明，的确如此。他们发现，当原子干涉仪中的两条路径之间的距离相差较小时，测得的相位曲线与预期中的仅由引力场所引起的相移相吻合。
但当这两条路径的距离相差更大时，情况就有所不同了，结果表明，这时还存在除引力场之外的“其它事物”引发了相移。研究人员将这种“其它事物”解释为相对论性的时间膨胀，他们认为这表明引力产生了类似于电磁相互作用引发的阿哈罗诺夫-玻姆相移。
微小的现象，了不起的成就
这是一种非常微小的、难以捕捉的现象，但在足够灵敏的原子干涉术的帮助下，物理学家探测到了这种变化。如此一来，新的实验不仅在新的设定下重现了奇异的阿哈罗诺夫-玻姆效应，也展示了引力系统中可能蕴含着许多微妙效应的潜力。
此外，通过这一实验，研究人员还注意到观测到的相移与原子的质量成正比，这些相位变化取决于普朗克常数（h）和牛顿的引力常数（G） 。引力常数G是一个揭示了引力强度的自然常数，然而到目前为止，我们对它的认识远不如其他基本自然常数那么精确。研究人员认为，新研究中所使用的原子干涉仪装置，将可以被用来更好地测量引力常数的值。
广义相对论和量子力学是这个实验的两个基础理论。一直以来，物理学家都希望能够将它们结合起来描述现实。新的结果是一项了不起的成就，它显示的是量子力学在引力作用下的巨大胜利，虽然这还不足以证明引力本身的量子本质，但也许有一天，物理学家会实现这个目标。
#创作团队：
撰文：小雨
排版：雯雯
#参考来源：
https://physicsworld.com/a/physicists-detect-an-aharonov-bohm-effect-for-gravity/
https://www.sciencenews.org/article/quantum-particles-gravity-spacetime-aharonov-bohm-effect
https://www.space.com/space-time-curvature-measured-atomic-fountain
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abl7152
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abm6854
https://physics.aps.org/story/v28/st4
https://physics.aps.org/articles/v5/s87
#图片来源：
封面图 & 首图：原理
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