我們知道，自然界有四種基本力：電磁力、強力、弱力和引力。這四種力都可以用粒子的交換來解釋，比如電磁力是由光子交換產生的，強力是由膠子交換產生的，弱力是由W和Z玻色子交換產生的，而引力是由引力子交換產生的。不過，目前我們還沒有觀測到引力子的存在，所以引力的量子理論還沒有完善。

根據廣義相對論，引力是由時空的彎曲產生的，而時空的彎曲又取決于物質和能量的分布。廣義相對論認為，引力只和物質和能量有關，而和粒子的自旋無關。

自旋是粒子固有的角動量，它可以看作是粒子繞自身軸旋轉的結果。自旋是量子力學中一個重要的概念，它決定了粒子的磁性和統計性質。根據標準模型，電磁力、強力和弱力都會和粒子的自旋發生耦合，也就是說，這些力會改變或受到粒子自旋的影響。那么，引力是否也會和粒子自旋發生耦合呢？這是一個基本而重要的問題，它涉及到引力理論和量子理論之間的一致性。

如果引力和自旋有耦合，那么就意味著引力會違反宇稱對稱性（P）和時間反演對稱性（T）。宇稱對稱性指的是空間坐標反轉后物理定律不變，時間反演對稱性指的是時間倒流后物理定律不變。電磁力和強力都滿足P和T對稱性，但是弱力不滿足。那么引力是否也不滿足呢？這是一個關于引力基本性質的問題。

為了檢驗引力和自旋之間是否有耦合，我們需要設計實驗來測量這種耦合效應。現在，中國科學技術大學的一組研究人員，以前所未有的靈敏度尋找粒子的內在量子自旋與地球引力場之間的相互作用，填補了這一領域的空白。

實驗方法

為了測量引力和自旋之間的耦合效應，我們需要一種能夠精確測量粒子自旋進動頻率的方法。自旋進動是指在外磁場中，粒子自旋會繞著磁場方向旋轉，形成一個圓錐運動。自旋進動的頻率和磁場的強度成正比，這個比例稱為回旋頻率。如果引力和自旋有耦合，那么自旋進動的頻率還會受到引力場的影響，從而導致一個額外的頻移。(www.ws46.com)

他們使用了一種原子氣體共磁強計來測量自旋進動頻率。共磁強計是一種利用兩種不同原子氣體來抵消磁場噪聲的裝置。他們使用了Xe-129和Xe-131這兩種氙的同位素，它們都有核自旋，但是回旋頻率不同。他們把這兩種氣體放在一個真空室內，并施加一個均勻的外磁場。接著用激光光泵來激發氙氣的核自旋極化，并用射頻場來激發核磁共振。最后用光檢測器來測量氙氣的核磁共振信號，從而得到兩種氣體的核自旋進動頻率。

研究人員把真空室安裝在一個可翻轉的平臺上，并把平臺放在地面上。我他們分別測量平臺水平放置和垂直放置時的核自旋進動頻率，并計算兩種氣體的頻率比。如果引力和自旋有耦合，那么平臺翻轉時，引力場對兩種氣體的影響會不同，從而導致頻率比發生變化。他們用一個高精度的陀螺儀來監測平臺的傾角，并用一個高靈敏度的重力計來監測地面的重力加速度。他們還控制了實驗室的溫度、濕度、氣壓等環境因素，以排除其他可能造成頻率比變化的原因。

實驗結果

研究人員對平臺水平放置和垂直放置時的核自旋進動頻率比進行了多次測量，并對測量結果進行了統計分析。他們發現，平臺翻轉時，頻率比沒有發生明顯的變化，也就是說，我們沒有觀測到引力和自旋之間的耦合效應。

實驗結果還可以用來約束其他一些異常相互作用。例如，如果引力和自旋之間的耦合是由一種軸子類似的標量玻色子介導的，那么這種玻色子會在地球和實驗室中粒子之間產生一種單極-偶極相互作用。根據實驗結果，我們可以推斷出軸子介導的單極-偶極相互作用的強度上限。這個上限比之前的實驗結果提高了17倍，也就是說，我們對軸子介導的單極-偶極相互作用進行了更精確的檢驗。

實驗還有進一步改進的空間。例如可以增加氙氣的密度，提高核磁共振信號的強度；可以減小外磁場的噪聲，提高核自旋進動頻率的穩定性；可以增加平臺翻轉的次數，提高頻率比變化的靈敏度。他們預計，通過這些改進，可以將實驗精度提高一個數量級，從而對引力和自旋之間的耦合效應進行更深入的探索。