引力可能并非是量子世界走向经典世界的原因

为什么原子和基本粒子能够表现出奇特的量子行为，而我们日常接触的宏观物体却遵循熟悉的经典物理规律？物理学家长期以来一直试图解开这一谜题。近日，一项在意大利地下实验室开展的新研究，对一项提出于20世纪60年代的理论进行了严格检验。研究人员连续测量62天，却没有发现该理论预测的微弱辐射信号，因而排除了这一特定模型对量子现象消失机制的解释。

这项研究由意大利国家核物理研究所相关研究人员参与完成，研究成果于2026年6月19日发表在《新物理学杂志》上。论文题为《实验排除一种广义卡罗伊哈齐引力诱导退相干模型》。研究结果并不意味着引力与量子力学之间毫无联系，但它为理解宏观世界为何没有明显呈现量子效应，排除了一条曾受到物理学界关注的理论路径。

这项研究涉及量子物理学中最著名的思想实验之一——薛定谔的猫。

1935年，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔提出了一个思想实验：将一只猫与放射性原子、毒气装置等放在一个封闭的箱子里。如果原子发生衰变，装置就会释放毒气，猫随之死亡；如果原子没有衰变，猫就会存活。按照量子力学对整个系统的描述，在测量发生之前，系统可能处于不同状态的量子叠加之中，由此产生了猫既活着又死去的著名悖论。

薛定谔提出这个思想实验，并不是为了声称现实中的猫真的能够以日常意义上的方式同时活着和死去，而是借此揭示量子理论应用于宏观世界时所面临的深层问题。

在微观世界中，粒子可以处于多个可能状态的叠加态，并表现出干涉等量子特征。然而，日常生活中的物体并没有呈现出同样明显的现象。物理学家将量子系统与周围环境相互作用后，量子干涉特征逐渐难以观察的过程称为“退相干”。

环境相互作用能够解释许多宏观物体为何看起来遵循经典物理规律，但量子力学与引力之间究竟有什么关系、引力是否也会主动破坏量子叠加，仍然是基础物理学中的开放问题。

20世纪60年代，匈牙利理论物理学家弗里杰什·卡罗伊哈齐提出了一种尝试解释这一问题的理论。他认为，时空可能存在极其微小、无法完全避免的涨落，而这些涨落可能逐渐破坏量子系统的叠加态，使大型物体难以持续表现出量子行为。

这一思路试图在量子力学与爱因斯坦的广义相对论之间建立联系。广义相对论将引力描述为时空弯曲的结果，而卡罗伊哈齐的理论进一步设想，时空本身可能存在微小的不确定性，并由此影响量子系统的演化。

这一理论提出数十年后，相关研究人员又对其进行了重新表述和完善，使其预测能够接受更严格的实验检验。研究人员希望通过实验判断，假设中的时空涨落是否真的会以可测量的方式影响物质。

问题在于，理论所设想的时空涨落极其微弱，无法直接进行常规测量。不过，如果这些涨落确实存在，并且能够使带电粒子发生随机加速，那么粒子就应当产生极其微弱的电磁辐射。

换言之，研究人员不必直接观测时空本身，只要寻找理论预测的辐射信号，就有机会检验这一模型。如果信号确实存在，它将为理论提供支持；如果实验灵敏度足够高，却始终没有发现预期信号，那么研究人员就可以据此限制甚至排除相应的理论参数和模型。

为了完成这项实验，研究团队选择了意大利格兰萨索国家实验室。该实验室位于格兰萨索山脉地下约1.4公里处，是世界上规模最大的基础物理研究地下实验室之一。

地下岩层能够屏蔽大量宇宙射线及其他背景辐射，降低外界干扰。对于寻找极其微弱的信号而言，这种天然屏蔽十分重要，因为来自环境的辐射可能远远强于研究人员希望捕捉的目标信号。

实验中，研究人员使用了一块高纯度锗晶体作为探测器的核心部件，其尺寸大致相当于一个咖啡杯。探测器外部还设置了多层铜和铅屏蔽结构，以进一步降低背景辐射的影响。

研究团队连续收集了62天的数据，随后对测量结果中的预期背景辐射进行分析和扣除，再检查剩余数据中是否存在卡罗伊哈齐模型所预测的特定辐射信号。

最终，研究人员没有发现与该模型预测相符的信号。

这一结果意味着，经过实验检验的卡罗伊哈齐引力诱导退相干模型无法得到观测结果的支持。研究人员据此排除了这一特定版本的理论，为未来试图解释量子退相干与引力关系的研究划定了新的限制条件。

研究团队成员、意大利国家核物理研究所弗拉斯卡蒂国家实验室研究负责人卡塔琳娜·库尔切亚努指出，没有发现预期信号本身就是一项重要的科学结果。通过排除一种历史悠久且具有代表性的引力诱导退相干模型，研究人员可以进一步缩小寻找相关物理机制的范围。

不过，这项研究并没有证明引力绝不可能影响量子系统，也没有解决量子力学与广义相对论如何统一这一更大的难题。

不同理论可能通过其他机制将引力与量子退相干联系起来，而这些机制是否成立，仍需要进一步实验验证。此次实验能够排除的是经过检验的特定模型，而不是所有关于引力影响量子行为的设想。

研究的意义还在于，它展示了基础物理学理论逐渐从数学推演走向精密实验检验的过程。过去，一些涉及时空结构和量子引力的理论主要依赖数学分析与概念研究，很难设计出能够直接检验其预测的实验。随着探测器灵敏度不断提高，部分理论已经开始产生可以通过实验数据加以检验的具体预测。

卡罗伊哈齐的思想还涉及另一个重要问题：人类是否能够无限精确地测量时空中的距离和位置。

在经典物理图景中，人们通常可以设想以越来越高的精度测量物体的位置。然而，在试图将量子力学与引力统一起来的理论研究中，时空在极小尺度上是否仍然具有连续、可无限精确测量的性质，一直备受关注。一些量子引力研究路线，包括弦理论和圈量子引力，都涉及对极小尺度下时空结构的重新理解，但不同理论对这一问题的处理并不相同。

参与此次实验的量子物理学家克里斯蒂安·皮斯基亚指出，量子引力研究中的许多思路都涉及与时空测量不确定性相关的最小长度尺度概念。不过，此次实验并不能证明最小长度是否真实存在，而是对某一种试图将时空不确定性与量子退相干联系起来的具体模型进行了限制。

研究人员认为，精密实验正在逐渐具备检验一些长期停留在理论推测阶段的物理假说的能力。随着实验技术进一步发展，科学家有望以更严格的方式判断哪些理论能够描述真实世界，哪些理论需要修正或放弃。

从薛定谔的猫到时空涨落，再到量子引力，这项研究并没有直接揭开宏观世界为何呈现经典物理规律的全部秘密，却排除了一种曾被认为可能解释这一现象的理论。它提醒人们，科学理论的价值不仅在于能够提出引人注目的解释，也在于能否给出明确、可检验的预测，并接受实验结果的检验。