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“量子物理和引力之间不存在冲突”：物理学家证明爱因斯坦的“最快乐的想法”在量子尺度上成立
物理学家通过证明爱因斯坦等效原理在量子尺度上成立，证明了相对论 100 年前的预测。
来源:LiveScience物理学家首次测量了物体因地球引力而下落时所获得的微小量子位移——这是爱因斯坦相对论的效应，近一个世纪前就已预测但从未观察到。
研究人员将超冷铷原子置于叠加态，这是一种量子态，其中单个粒子同时走两条路径。在这个实验中，一条路径使原子自由落体，而另一条路径使其保持静止。原子的重组揭示了两条路径之间几乎难以察觉的差异。
9 月 2 日发表在《科学进展》杂志上的测量结果表明，爱因斯坦的等效原理（广义相对论的核心思想）在被推入量子世界时仍然成立，在相对论和量子力学之间建立了一种微小但诱人的联系。
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“该原理表明，加速度和重力无法在局部区分，”牛津大学物理学家、这项新研究的合著者 Vlatko Vedral 通过电子邮件告诉《Live Science》。
爱因斯坦最幸福的想法
等效原理的经典例证是被称为爱因斯坦电梯的思想实验。一个被密封在无窗电梯里的人无法判断地板压在他们的脚上是因为电梯停在地球上一动不动，还是因为它在空旷的空间中加速。爱因斯坦称这种认识是他一生中“最幸福的想法”，并围绕它建立了广义相对论。
对于重型日常物体，等效原理已经过极其精确的测试。量子物体则是另一回事。它们的行为就像波一样，每个波都带有一个称为相位的量——本质上就是波峰和波谷所在的位置。相位无法直接看到，但当同一粒子的两个版本重新组合时，它们相位之间的任何不匹配都会显示为干涉图案。这两种波在某些地方相互增强，而在另一些地方相互抵消，从而改变了粒子出现的几率。
理论认为，自由落体中的波应该相对于保持静止的相同波建立相位，并且该相位应该随着下落时间的立方而增长。因此，将下降时间加倍，效果就会增加八倍。著名博物学家查尔斯·高尔顿·达尔文 (Charles Galton Darwin) 的孙子查尔斯·高尔顿·达尔文 (Charles Galton Darwin) 和厄尔·肯纳德 (Earle Kennard) 均在 1927 年记录了这一预测，但迄今为止还没有人对其进行过测量。
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一个原子下落并立即保持静止
这种设备称为 2D MOT，为科学室提供冷原子。
（图片来源：Or Dobkowski）
捕捉这种效应需要一台仪器，其中一只手臂相对于地球真正静止，另一只手臂真正自由落体——这是以前的实验无法提供的。物质波实验可以追溯到 20 世纪 70 年代的中子干涉测量法，也曾以其他方式测量过重力，但从未使用过这对轨迹。
由以色列内盖夫本古里安大学的物理学家 Ron Folman 领导的这项新研究团队，将大约 20,000 个铷原子冷却成一种称为玻色-爱因斯坦凝聚态的奇异物质状态，将它们从磁阱中释放出来，并在仅 2 微米厚的金线图案下方约 113 微米处运行干涉仪。
“两种不同的加速度可以叠加，零[加速度]和地球重力加速度，并测量由此产生的量子干涉，”维德拉尔说。
无线电和微波脉冲使每个原子处于两种磁态的叠加状态。磁力踢将其中一个向上发射，不到一毫秒后，第二个脉冲使其中一半对磁场不敏感，因此它仅在重力作用下上升和下降。另一半仍然保持磁力敏感，并感觉到一股力正好抵消了重力，使其悬浮在适当的位置。
在弧的顶部，单个原子的两半相距约 7.5 微米——大约是原子波本身宽度的七倍——然后颠倒顺序将它们重新组合在一起。该团队将该设备命名为量子伽利略干涉仪，以第一个提出所有物体以相同速率下落的科学家的名字命名。
近 100 年前预测的一个阶段
研究人员在将自由落体时间延长至约 2.4 毫秒时跟踪了干扰信号。在超过 5.3 小时的 633 次运行中，他们记录了 13 次完整的振荡，每一次都是原子两半之间建立的完整相位周期。增长遵循下降时间的立方，与理论模型的吻合度约为 2.5%。
“叠加的两个元素之间的相位随着实验持续时间的立方而增长，并且在很久以前（1927 年）就被预测到了，现在终于第一次被观察到了，”Vedral 说。
结果很重要，因为相同的相位可以通过两种完全不同的方式导出：一种将重力视为作用在量子波上的力；另一种将重力视为作用在量子波上的力；另一种将重力视为作用在量子波上的力。另一个进入下落框架，重力消失，并调用等效原理。两者给出了相同的答案，而这种一致性使得量子力学和广义相对论得以共存。
“他们告诉我们，在这种精度水平上，量子物理学和引力之间不存在冲突，”维德拉尔说。 “换句话来说，等效原理完全符合量子力学。”
将两半重新组合在一起的难度
实验中最困难的部分是重组。由于原子的两半最终以非常不同的速度运动，因此使它们在位置和运动上重叠是非常困难的。物理学家马兰·斯卡利、伯特霍尔德-乔治·恩格勒特和朱利安·施温格将这个问题称为“矮胖子效应”。磁场也会在原子云上弯曲，以不同的方式扭曲两半。
干涉条纹的对比度在短期运行时为 80%，在最长运行时逐渐降至 20%，为实验可以运行的时间设置了实际上限。作者还警告说，他们的测量并不能排除等效原理失效的所有理论，因为其中一些理论预测了相同的相位。
接下来会发生什么
该团队现在希望在更一般的条件下测试等效原理，例如“在旋转框架中进行相同的实验”，Vedral 说。他补充说：“更有趣的是，进行一项实验，将两个这样的系统叠加在一起，并且可以通过引力相互影响”，将进一步测试结果。
最后一个想法指向了该领域的一个核心开放问题。将这项技术从原子扩展到更重的物体，例如纳米钻石，将使物理学家们思考引力本身是否遵循量子规则，并为检验这一猜想开辟一条道路——该猜想由研究合著者、诺贝尔奖获得者罗杰·彭罗斯倡导——引力首先破坏了量子叠加态。
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Dobkowski, O.、Trok, B.、Skakunenko, P.、Japha, Y.、Groswasser, D.、Efremov, M.、Marletto, C.、Guridi, I. F.、Penrose, R.、Vedral, V.、Schleich, W. P. 和 Folman, R. (2026)。自由落体量子相的观测及其与等效原理的一致性。科学进展，12(36).https://doi.org/10.1126/sciadv.aec8045