[新聞] 測試重力對量子自旋的影響
https://physics.aps.org/articles/v16/80
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.201401
Derek F. Jackson Kimball
加州州立大學物理系，美國加州海沃德東灣
對粒子固有自旋與地球重力場之間相互作用的新研究探索了量子理論與重力相結合的物理
學。
https://tinyurl.com/2se6pzj4
圖 1：在外加磁場（綠色箭頭）中，氙-131（藍色）和 氙-129（紫色）的核自旋
以不同頻率擺動或進動（由單頭和雙頭黑色箭頭表示） 。中國科學技術大學的研究人員
[ 1 ]利用進動頻率的差異來尋找自旋與地球引力場之間相互作用的跡象（如淺藍色陰影
所示）。
我們對物理學的理解有兩個理論支柱支持。第一個是量子場論，它支撐著粒子物理學的標
準模型。第二個是愛因斯坦的廣義相對論，它描述了重力的本質。這兩個支柱都經歷了無
數嚴格的測試，並且無數的預測得到了驚人的證實。然而，它們看似不可調和，卻暗示著
更深層的真相。由於缺乏探索量子物理和重力交叉現象的實驗，調和這些理論的道路變得
模糊。現在，由申東和陸正天領導的中國科學技術大學（USTC）研究小組已經跨入了這一
突破口，以前所未有的方式尋找粒子固有量子自旋與地球引力場之間的 相互作用。 儘管
沒有發現這種相互作用的證據，但搜尋產生了強有力的約束，這些約束對假設的自然力的
存在以及宇宙物質-反物質不對稱性的起源具有影響。
內禀自旋是角動量的純粹量子形式，其本質不涉及粒子的物理旋轉；它的解釋來自狄拉克
對量子力學和狹義相對論的統一[ 2 ]。相較之下，重力場是透過廣義相對論來理解的：
廣義相對論是一種經典理論，描述僅由大型物體旋轉產生的角動量。那麼量子自旋如何與
重力場相互作用呢？這個問題仍然懸而未決。
中國科大團隊開發了一項極其精確的實驗，以測試與原子核自旋相關的能量是否取決於自
旋相對於地球重力場的方向。考慮磁場中核自旋的類似情況：由於其磁矩，自旋的能量取
決於其相對於磁場的方向。這種現象稱為塞曼效應，是核磁共振 (NMR) 和磁振造影
(MRI) 的基礎。它會導致從磁場軸傾斜的自旋以稱為拉莫爾頻率的特徵頻率進動（像旋轉
的陀螺一樣擺動）。類似地，如果存在自旋-重力交互作用，自旋就會在重力場中進動[
3 ]。
如果重力以與質量耦合相同的強度直接耦合到自旋，則自旋在地球重力場中將以大約 10
nHz 的頻率進動。該值比地球磁場中典型的核拉莫爾頻率小 100 億倍以上，大約是地球
每天自轉速度的千分之一。這些比較說明了中國科大團隊面臨的艱鉅挑戰。特別是，需要
在非凡的層面上理解和控制由磁場和與地球自轉相關的陀螺效應引起的系統誤差，以檢測
可能的自旋重力相互作用。
中國科學技術大學團隊的方法涉及由兩種不同同位素組成的自旋極化氣體：氙129和氙131
。研究人員同時測量了施加磁場中兩種同位素的核自旋進動頻率。該場的方向仔細地平行
於地球自轉軸，以盡量減少陀螺效應所造成的系統誤差。透過計算兩個進動頻率的比率，
團隊精確地消除了磁場相關的效應。當磁場方向反轉時，重複測量該頻率比，並確定對應
於兩個不同磁場方向的比值之間的差異。對於一階而言，這種差異與非磁效應引起的進動
幅度成正比，例如重力引起的自旋扭矩引起的進動幅度。研究人員對數據的徹底分析並沒
有發現自旋-重力相互作用的證據。
鑑於氙129和氙131原子核的結構，中科大實驗主要對重力與中子自旋耦合的強度敏感。該
團隊的測量結果對內在自旋與重力的任何耦合建立了最嚴格的約束。推導出來的中子極限
將先前的極限縮小了 17 倍，並且超出了電子限制 400 倍、質子限制 6000 倍 [ 1 ]。
為了進行比較，實驗對比地球自轉速率小一百多倍的自旋進動頻率敏感。
中國科學技術大學實驗中所尋求的自旋重力交互作用的表現與軸子等奇異玻色子介導的遠
程力沒有區別[ 4 ]。軸子是一種透過標準模型的許多理論擴展所預測的假設粒子，是解
釋暗物質的有希望的候選者[ 5 ]。中國科學技術大學的測量結果遠遠超過了先前對特定
軸子介導力強度的限制，甚至超出了天文物理觀測得出的嚴格界限。
特別令人感興趣的是，中國科學技術大學的實驗探測了一種違反宇稱 ( P )基本對稱性的
自旋重力相互作用，對應於坐標軸通過原點反射的對稱性和時間反轉 ( T ) [ 6 ]。量子
場論預測，違反T對稱性的相互作用也會違反組合CP對稱性，其中C代表電荷共軛，即從粒
子到反粒子的轉變。物理學中一個長期存在的謎團是宇宙物質-反物質不對稱性的起源，
而缺失的成分是目前未知的CP破壞的來源 [ 7 ]。這個謎團激發了人們對中微子物理學中
CP破壞效應以及電子和其他基本粒子的CP破壞永久電偶極矩的研究。重力可能違反CP對稱
性的可能性進一步增加了探索自旋-重力相互作用的動力。
在愛因斯坦提出廣義相對論後不久就開始的大量理論工作表明，將內禀自旋納入廣義相對
論框架可以從根本上改變該理論[ 8 ]。鑑於內自旋最終是角動量的一種形式，人們可以
透過類比預期，引力對軌道角動量的影響也會對自旋產生同等的影響。這個概念提出了一
個有趣的測試。廣義相對論預測，旋轉的大質量物體在旋轉時會拖曳時空。這種所謂的座
標系拖曳會導致陀螺儀進動，例如，重力偵測器 B 任務 [ 9 ] 就測量了這種效應。中國
科學技術大學實驗的靈敏度距離測量框架拖曳所引起的自旋進動還有許多數量級的差距。
然而，有實驗建議表明，這樣的測試有一天可能是可能的[ 10 ]。
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The Search for Ultralight Bosonic Dark Matter, edited by D. F. Jackson
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