总编辑圈点丨引力对自由下落量子物体影响首次直接观测表明——量子世界物质行为与爱因斯坦引力理论相一致

一个国际研究团队首次直接观测到引力对自由下落量子物体的影响，实验结果表明，量子世界中的物质行为与爱因斯坦引力理论的核心原则相一致。这项实验将量子力学推向了引力前沿。研究由以色列内盖夫本-古里安大学、德国乌尔姆大学和英国牛津大学等多家机构联合完成，相关论文于2日发表在《科学进展》杂志上。

为科学家提供检验的装置。图片来源：《科学进展》

一个多世纪以来，物理学依靠两套极为成功的理论来描述自然：量子力学解释了原子等微小物体的奇特行为，爱因斯坦的引力理论则解释了物体如何下落，以及引力如何塑造宇宙。然而，这两大理论如何结合，始终是物理学尚未解决的问题。此次实验正是为了探测两者相遇之处。

研究团队观察到，原子在引力作用下出现了显著的量子性质变化。关键在于，他们测量到的效应与将爱因斯坦等价原理应用于量子物体时所预测的结果一致。等价原理指出，对于自由落体中的观察者来说，引力应当局部消失，例如人在自由下落的电梯中会体验失重。该原理已经过涉及普通物质的极其精确的测试，但如何在量子物体上进行实验测试一直不清楚，因为量子物体可以表现为波，并能沿多条路径传播。

实验中使用的核心装置被称为“量子伽利略干涉仪”，能够将与原子相关的量子波分成两条路径。团队首先利用微波脉冲将超冷原子置于量子叠加态，使每个原子能够同时沿两条不同路径传播。随后，芯片上的细小电线产生精确控制的磁场。原子波的一部分响应磁场，团队借此施加向上的力，恰好抵消重力向下的拉力，使这部分相对于实验室和地球保持静止。另一部分则通过精确控制的磁脉冲向上推动，然后切换到几乎不受磁场影响的状态，使其能在重力作用下自由下落，沿弹道轨迹移动，类似抛向空中的球体。

下落结束时，团队使用另一道精确控制的磁脉冲将两部分重新连接。当两波重聚时，它们相互干涉，这种干涉使团队能够测量在一个波下落、另一个波被固定时积累的微小量子相位差异。实验中测量的相位，与将爱因斯坦原理应用于此类量子波时所预测的相位相同。这一结果为量子物理与爱因斯坦引力理论之间提供了实验上的联系。

尽管此前已有实验使用量子粒子测量引力，但团队表示这是首次直接测量自由落体物体所预测的量子相位，探讨了引力与量子理论如何统一的问题。

该结果并非将量子力学与引力结合，也未证明引力本身是量子的，而是证明爱因斯坦等价原理在所测试范围内与量子力学保持一致。团队希望能推广到更重物体的实验，以进一步探讨。

物理学现在有两种“语言”，一种适用于微观量子，一种适用于宏观物体。很多人认为，两者连通的关键，可能就在引力上。此次，科研人员巧妙设计实验，首次证明在量子世界中，关于引力的核心规则等价原理依然成立。物理学一大终极目标是用同一套理论解释量子力学和经典力学，这次实验，初步搭建起两大理论之间的桥梁。它虽然没有进一步剖析引力的本质，但至少告诉我们，引力规则跟量子行为可以共存，让人对大一统更加充满期待。