科學家早已發現，在量子實體學中，粒子可以感受到它們從未直接接觸過的磁場的影響。現在，一項刊登在《科學》雜志上的新研究表明，這種被稱為阿哈羅諾夫-玻姆效應的奇異量子現象，不僅适用于磁場，也适用于引力。
阿哈羅諾夫-玻姆效應
在經典電磁學中，電場和磁場是負責所有實體效應的基本實體。例如，粒子隻有在直接與電場或磁場接觸的情況下，才會受到場的影響（如加速、減速、轉彎）。
電磁場可以用一個被稱為電磁勢的量來表示，這個量在空間的任何地方都有一個值。從電磁勢可以輕易地推導出電磁場。但電磁勢的概念曾一直被認為隻是一個純粹的數學概念，不具有任何實體意義。
然而，在量子實體學中，事情變得更加有趣。1959年，實體學家阿哈羅諾夫（Yakir Aharonov）和玻姆（David Bohm）提出了一個“思想實驗”，将電磁勢與可測量的結果聯系了起來。在這個思想實驗中，一束電子被分成兩條路徑，分别繞着一個圓柱形的螺線圈的兩側運動，磁場被限制線上圈内部。是以這兩條電子路徑可以穿過一個沒有場存在的區域，但這個沒有場的區域的電磁勢并不為零。
阿哈羅諾夫-玻姆效應是一種量子力學效應。在這種效應中，當粒子繞着一個包含磁場的區域運動時，它的相位會發生改變，即便粒子經過的地方的磁場都為零。| 圖檔來源：E.Cohen et al., Nature Rev. Phys.,2019
阿哈羅諾夫和玻姆從理論上論證了這兩條不同路徑上的電子會經曆不同的相位變化，當這兩條路徑上的電子再重新結合時，可以産生可被檢測到的幹涉效應。由于相位的變化可以從磁場的強度計算得到，是以幹涉可以被解釋為電子實際上從未穿過磁場的效應。如今，阿哈羅諾夫-玻姆效應早已經被許多實驗驗證。
微弱的引力效應
在新研究中，實體學家通過實驗證明了引力中也可以出現同樣不可思議的實體現象。
一直以來，當科學家想要用引力來進行類似的實驗時，一個最大的挑戰就是相比于電磁力，引力效應實在是太微小、太難以捕捉了。幾十年來，實體學家一直在試圖設計能夠檢測這種效應的實驗，但直到2012年，由Michael Hohensee帶領的團隊才構想出了一個可以用目前技術實作的實驗方案。
Hohensee等人的想法是，首先制造出超冷原子，然後用脈沖雷射束來控制它們的運動，包括讓它們進入一個引力勢（而不是場）不同于其他位置的區域。如果能夠将一個原子分裂成兩個物質波，将它們移動到具有不同引力勢的區域，再将它們重新拉回一起，就能觀察到它們産生的幹涉圖樣，測量它們的相位，進而量化引力阿哈羅諾夫-玻姆效應。
在實驗室制造“原子噴泉”
十年後，實體學家Chris Overstreetda與他的同僚利用原子幹涉儀，首次在引力中探測到了阿哈羅諾夫-玻姆效應。
在新的實驗中，他們制造了一個“原子噴泉”，将超冷铷原子發射到一個10米高的真空管中，讓原子在管中做自由落體運動。研究人員通過在不同的時間發射一系列雷射脈沖來控制原子噴泉，進而對這些原子波包進行分裂、定向、重組，使得每個原子可以同時處于兩條路徑的量子疊加态中。
在量子力學中，微觀粒子的行為像波，是以每個粒子可以表示為“波包”。在“原子噴泉”實驗，原子從真空管底部垂直發射，并遵循自由落體軌迹。在三個不同的時間，雷射脈沖可以對原子的波包進行分離、定向和重組。| 參考來源：A. Roura
在真空管的頂部，有一個品質為1.25公斤的鎢環。一條路徑中的原子飛得很高，離鎢環很近；另一條路徑中的原子則飛得更低，離鎢環更遠。兩條路徑最多可相距25厘米。這麼做是為了檢測由時間膨脹造成的微小相移，因為在一個引力勢中，廣義相對論預言兩個不同高度的時鐘會以略微不同的速度流逝。當原子重新聚集在一起産生幹涉圖樣時，研究人員就可以從兩條路徑的幹涉信号中，讀取到它們所經曆的相位變化的差異。
值得注意的是，這些原子并不是在一個沒有引力場的區域内飛行。相反，這個實驗的設計是為了讓研究人員能夠過濾掉引力的影響，隻顯示奇異的阿哈羅諾夫-玻姆效應。
要觀測這一效應，實體學家需要考慮由鎢環的引力（引力場）拖曳而産生的相移。為了在實驗中實作這一點，研究人員會不斷改變沿着飛得更高的路徑的原子與鎢環之間的最小距離，繪制出了兩條路徑與鎢環距離之間相位差的變化曲線。
當兩條路徑相距更近，這時波包的間距相比于和鎢環的距離就很小，是以應該對時間膨脹不敏感。事實證明，的确如此。他們發現，當原子幹涉儀中的兩條路徑之間的距離相差較小時，測得的相位曲線與預期中的僅由引力場所引起的相移相吻合。
但當這兩條路徑的距離相差更大時，情況就有所不同了，結果表明，這時還存在除引力場之外的“其它事物”引發了相移。研究人員将這種“其它事物”解釋為相對論性的時間膨脹，他們認為這表明引力産生了類似于電磁互相作用引發的阿哈羅諾夫-玻姆相移。
微小的現象，了不起的成就
這是一種非常微小的、難以捕捉的現象，但在足夠靈敏的原子幹涉術的幫助下，實體學家探測到了這種變化。如此一來，新的實驗不僅在新的設定下重制了奇異的阿哈羅諾夫-玻姆效應，也展示了引力系統中可能蘊含着許多微妙效應的潛力。
此外，通過這一實驗，研究人員還注意到觀測到的相移與原子的品質成正比，這些相位變化取決于普朗克常數（h）和牛頓的引力常數（G） 。引力常數G是一個揭示了引力強度的自然常數，然而到目前為止，我們對它的認識遠不如其他基本自然常數那麼精确。研究人員認為，新研究中所使用的原子幹涉儀裝置，将可以被用來更好地測量引力常數的值。
廣義相對論和量子力學是這個實驗的兩個基礎理論。一直以來，實體學家都希望能夠将它們結合起來描述現實。新的結果是一項了不起的成就，它顯示的是量子力學在引力作用下的巨大勝利，雖然這還不足以證明引力本身的量子本質，但也許有一天，實體學家會實作這個目标。
#創作團隊：
撰文：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
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
#圖檔來源：
封面圖 & 首圖：原理