在量子世界，检验爱因斯坦的等效原理

量子力学和描述引力的广义相对论是20世纪物理学的两大支柱。一个多世纪以来，这两套理论一直并存，却始终难以实现令人信服的统一。

要理解引力，自由落体一直是一个最基本的问题。自伽利略和牛顿时代以来，人们已经认识到，引力场中的自由落体现象是物理学的典范问题，任何描述自然的理论都必须对其进行完整理解。爱因斯坦更进一步，用时空几何来描述引力和自由落体，并将等效原理确立为广义相对论的基石之一：对于一个自由落体的观察者而言，引力效应在局部应该“消失”。

但当自由落体的不再是一个经典物体，而是一个可以表现出波动性和叠加性质的量子物体时，等效原理是否仍然成立？

如今，在一项新发表于《科学进展》杂志的研究中，一个国际研究团队开展了一项实验，探索了这两套理论交汇的领域。研究人员观察到了原子在引力作用下下落时，其量子性质发生的一种特殊变化。他们测量到的这种效应，正是将等效原理应用于量子物体时所预测的结果。

自由落下的量子波包

在宏观物体尺度上，等效原理已经得到了极高精度的实验验证。然而，当进入量子世界，如何对这一原理进行实验检验就变得更加复杂。与经典物体不同，原子等量子物体可以表现出波的性质，并且能够有效地沿着多条路径同时传播。

事实上，物理学家早已能够利用物质波量子干涉仪研究引力。过去，曾有实验已经在地球引力场中分别使用中子和原子实现了物质波干涉，并借助这类技术测量了重力加速度和万有引力常数。但有一个量此前始终没有被直接测量：一个自由落体的量子波包，相对于地球参考系的特定量子相位。

要直接测量这一相位，需要一种特殊的量子干涉仪。它必须让同一个原子的两个量子波包经历截然不同的运动：其中一个相对于地球保持静止，作为参考波包；另一个则不再受到实验装置施加的外力，在地球引力作用下自由落体，成为弹道波包。最后，再让两个波包重新汇合并发生干涉，由此读取它们之间积累的相对量子相位。

为此，研究人员开发了一种新的实验装置，并将它命名为量子伽利略干涉仪，以纪念伽利略在自由落体规律研究中的贡献。

自由落体留下的量子相位

具体来说，研究人员使用了接近绝对零度的铷原子云，并在一块专门设计的原子芯片表面附近对这些原子进行操控。

首先，他们利用微波脉冲将超冷原子置于量子叠加态，使同一个原子的量子态形成两个可以沿不同路径演化的波包。

接下来，研究人员利用芯片上的微小导线产生精确控制的磁场，分别操控这两个波包。对于作为参照的波包，磁场会对其施加一个向上的力，恰好抵消地球引力，因此它能够相对于实验室和地球保持静止。

量子伽利略干涉仪（QGI）实验：用于测量自由落体粒子所积累的量子相位。A：时空图，展示了干涉仪中弹道波包和参考波包的经典运动轨迹。B:实验实际实现方式的示意图。（图/Dobkowski et al. / Science Advances）

另一个波包则先在磁脉冲作用下被向上推送，随后被切换到一种几乎不受磁场影响的状态，使其能够在引力作用下自由下落——沿着类似于一颗被抛向空中的球所经历的弹道轨迹运动。

在自由落体过程结束后，研究人员再次利用精确控制的磁脉冲，使两个波包重新汇合。当它们发生量子干涉时，相位上的微小差异便会反映在干涉信号中。通过分析这一信号，研究人员最终测量出了自由落体波包与静止参考波包之间积累的相对量子相位。

结果表明，实验测得的这一相位与理论预测相符——也就是将爱因斯坦的等效原理应用于这种量子波包时所预言的相位。

交界处的一次检验

这项测量为量子理论与引力之间的交界面提供了一项基础性的实验检验。但它并没有实现量子力学与引力的统一，也没有证明引力本身具有量子性质。它真正表明的是：至少在这项实验所探测的低能量范围内，爱因斯坦的等效原理仍然与量子力学相容。

更重要的是，这种新的干涉方法为进一步探索两套理论之间的关系提供了一条实验路径。未来，一个关键方向是将类似实验扩展到质量更大的量子物体。

有理论提出，当足够大的物体在量子叠加态中维持足够长时间时，量子力学本身可能会出现偏离甚至失效。目前的实验距离检验这一可能性所需的质量和时间尺度仍然很远，但研究团队希望，这项技术能够成为迈向这一目标的一步。

未来，他们计划将类似实验扩展到包括纳米金刚石在内的更大质量量子物体。相关实验目前已经在开展之中。

#参考来源：

https://www.ox.ac.uk/news/2026-08-28-scientists-observe-einsteins-gravity-in-the-quantum-world

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aec8045

#图片来源：

封面及首图素材来源：Or Dobkowski