量子力学与相对论相遇会发生什么

近百年前，物理学家曾从理论上推导过自由落体对量子波会产生怎样的影响。如果他们当时给出的解答是错的，那么量子力学和爱因斯坦的引力理论将彼此正面矛盾。但由于此前没有人能造出可以完成这项测量的干涉仪，这一理论一直无法得到验证。

如今，本-古里安大学内盖夫分校物理学家罗恩·福尔曼带领团队，联合德国、英国和美国的合作者（其中包括诺贝尔奖获得者罗杰·彭罗斯），终于完成了这项实验。他们建造了一台新型干涉仪，能让单个原子同时拥有两条可能的路径：一条经历自由落体，另一条则被完全固定不动。这两条路径最终在同一时间、同一地点重合，从而让团队能够测量出下落过程对原子波动性质的影响。

历时已久的探索

自伽利略以来，物理学家早已知道该如何描述一个下落物体——它的位置、速度以及加速度。然而量子力学坚持认为，每个物体同时也是一种波。“每一个粒子，无论是汽车、飞船还是原子，都是一种波，”福尔曼说，“任何波，无论是海浪还是声波，都会有起有落。而这种起落，是用一个叫做‘相位’的东西来衡量的。相位只是告诉你，你处于波峰还是波谷。”

原子的波动特性只有在原子几乎静止不动时才会显现出来，而这只有在把原子冷却到接近绝对零度时才能实现。在理论学家最初研究这一问题的很多年里，达到这种低温根本不可能——直到20世纪90年代末，冷却原子到如此低温才成为现实。“但这仅仅是这项实验旅程的起点，”福尔曼说。

第二个障碍在于，相位本身无法单独测量——它只有在进行比较时才会显现出来。“它只能通过一种相对测量来完成，也就是把一个粒子劈成两条轨迹，然后再让这两条轨迹重新汇合，”福尔曼说。他告诉Ars Technica，这与双缝实验背后的逻辑是一样的：粒子穿过两条狭窄缝隙射向背景屏幕，形成干涉图案，从而揭示出它们的相位信息。

而在自由落体状态下测量同样的东西，则增添了另一层复杂性。“扔下一块石头，一秒钟后它就已经在你下方5米处了，”福尔曼说。研究团队面临的问题是：如何让一个已经下落的波包重新与留在原地的那个波包——同一个原子的另一条路径——重新接触，从而使二者发生干涉。找到这个解决方案，团队花费了数年时间，尽管事后看来这个方法似乎相当显而易见。

大炮与降落伞

试图抓住一个下落中的粒子、再想办法把它送回起点，这条路根本走不通。“即便你能用某种镊子或某种陷阱做到这一点，这种非常剧烈的操作也会产生巨大的噪声，我们根本分不清哪些是假信号，哪些才是我们真正想要测量的效应，”福尔曼开玩笑地说。因此，团队认为正确的做法是让一个原子处于路径的叠加态：一条路径中原子被向上抛出，随后在重力作用下返回原来的位置；另一条路径其实根本不算是路径——原子只是原地不动。“你必须用大炮把其中一个发射出去，让它进行类似炮弹弹道那样的运动，”福尔曼说。但这仅仅是问题的开始。

显而易见的挑战在于：如何设计一台“大炮”，使其可能影响、也可能不影响一个原子（严格来说，它只影响原子的一个波包，而不影响另一个波包）。

接下来是维持系统处于量子态的问题。干涉现象只有在原则上完全无法判断粒子走了哪条路径时才会出现——任何一次测量都会破坏量子叠加态，迫使粒子表现得像一个具有确定位置的经典物体。不巧的是，从弹道飞行返回的粒子运动速度很快，而它静止不动的“孪生兄弟”则速度为零。这种速度差异本身就是关于路径的信息，因此不会出现干涉图案。

原子干涉仪已经存在了30年，但没有一台能完成福尔曼团队想要实现的目标。于是，他们建造了一台全新的设备，命名为“量子伽利略干涉仪”（Quantum Galileo Interferometer，简称QGI）。

芯片下的原子

QGI体积相当小，依靠微波脉冲和磁场脉冲运作。它使用约2万个铷原子，以玻色-爱因斯坦凝聚态的形式存在，被芯片上微米级导线中的电流所束缚——这块芯片倒挂在原子上方约113微米处。一个微波脉冲将每个原子置于两种状态的叠加态：一种状态会感受到磁力，另一种则对磁力毫无感觉。随后一个磁场脉冲扮演“大炮”的角色，将所有对磁场敏感的原子向上推出。

这样一来，状态的叠加就转化成了轨迹的叠加。

紧接着，第二个微波脉冲会将原子翻转到相反的状态，于是那个正在向上飞行的叠加态转变为对磁场不敏感的状态，开始在重力作用下自由下落，不受其他力的影响。与此同时，留在原地的“孪生兄弟”则变得对磁场敏感，而磁场经过精确调节，其向上的作用力正好抵消了原子的重量，使其相对于地球实际上保持悬浮静止。

当其中一条轨迹落回原处时，第二个磁场脉冲扮演“降落伞”的角色，恰好在它回到起点的瞬间抵消其速度。在福尔曼的实验中，两条轨迹相距最远时约为7.5微米，整个飞行过程最长持续了千分之二秒。

每次实验结束后，落入干涉仪两个出口之一的原子，会依据下落路径所积累的相位进行分类。随着研究人员延长下落时间，这一相位会随之增大——这一行为与理论预测完全吻合。

“当一个人处于自由落体状态时，他不会感受到自己的重量。他没有重量。有时我们在下降很快的电梯里能感受到一点这种感觉，”福尔曼说。在量子世界中，从原子自身的视角来看，下落路径不会经历任何引力或其他力的作用，其波动也不应该获得额外的相位。而与此同时，从实验室的角度来看，重力同样作用在这个下落的相位上，因此它的波动应该获得理论所预测的特定相位量。而这一相位差异确实出现在了数据中。

“我们成功证明了，量子系统的行为仍然遵循等效原理，”福尔曼说，“这一点此前从未被证明过——即等效原理在处于叠加态的量子系统中同样适用。”

最终，测得的量子波相位与理论预测值相差2.5%。研究团队认为，这一结果是位于爱因斯坦相对论与量子力学这两大物理学理论交界处的一个重要检验点——这两大理论至今仍固执地拒绝彼此兼容。

“这种（不兼容性）对物理学家来说是个如此严重的问题，以至于一些非常聪明的人认为，这暗示着这两大理论中至少有一个从根本上是错误的，”福尔曼说。遗憾的是，QGI并没有让我们更接近弄清究竟是哪一个理论出了问题。但福尔曼和他的实验室已经制定了一份路线图，希望有一天能带领我们找到答案。

钻石实验

福尔曼认为，寻找答案的方向应该转向更重的质量。目前，他的实验室正在建造一个规模更大的QGI实验版本，将纳米钻石置于同样的叠加态中——这些物体比原子重10个数量级，质量大到足以使其周围的时空发生弯曲。“如果我们把同一颗纳米钻石放在两个位置，实际上我们就得到了两种不同时空曲率的叠加态，”福尔曼说。而根据彭罗斯提出的假说——匈牙利物理学家拉约什·迪厄西也独立提出了同样的观点——正是在这种情况下，量子力学应该会失效。

“罗杰·彭罗斯认为，宇宙无法维持弯曲时空的叠加态，这种叠加态应该会发生坍缩，”福尔曼说。他表示，观察这种坍缩是否真的发生，将是迄今为止对引力是否具有量子性质最直接的检验。研究团队希望能在未来四到五年内实现将纳米钻石置于叠加态。“这是一个极具挑战性的项目，”福尔曼说。

论文发表于《科学进展》（Science Advances），2026年，DOI: 10.1126/sciadv.aec8045

Q&A

Q1：量子伽利略干涉仪（QGI）是什么？它有什么作用？

A：QGI是本-古里安大学团队研制的一种新型原子干涉仪，能让单个原子同时经历自由下落和静止悬停两条路径，从而测量自由落体对原子量子波相位的影响，用以检验等效原理在量子系统中是否成立。

Q2：这项实验为什么很难做到？

A：因为原子波动特性只有在接近绝对零度时才会显现，而相位又必须通过两条轨迹的比较才能测量。要让一个下落的原子波包重新与静止的波包在同一时间、同一地点相遇并保持量子叠加态，技术难度极高，团队花费数年才找到解决方案。

Q3：这项研究对未来物理学有什么意义？

A：实验结果表明等效原理在量子叠加系统中依然成立，为量子力学与相对论的兼容性提供了实验检验点。团队下一步计划用更重的纳米钻石进行实验，希望借此探测引力本身是否具有量子特性。