科学家首次直接测得量子物体自由下落引力效应，与爱因斯坦理论预测一致

9 月 4 日消息，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，相关论文于当地时间 9 月 2 日发表在《科学进展》上。研究团队包括诺贝尔物理学奖得主罗杰 · 彭罗斯（Roger Penrose）教授。

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”（Quantum Galileo Interferometer），能够将与原子相关的量子波分成两条路径。

此次实验在本-古里安大学进行，使用了冷却至接近绝对零度的铷原子云。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。

该研究的第一作者罗恩 · 福尔曼（Ron Folman）教授（本-古里安大学）表示，这项研究将一项硬核实验与深远的理论解释相结合，探讨了物理学中最基本的问题之一：如何将爱因斯坦相对论描述的引力与量子理论统一起来。

研究共同作者、牛津大学物理系弗拉特科 · 韦德拉尔（Vlatko Vedral）教授表示，目前还没有一致的理论能解释量子物理学为何会失效，这项实验将量子力学推向了其最引人入胜的前沿之一 —— 引力，并再次证明了其预测的有效性。

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，仅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。

此外，该研究并未推翻彭罗斯教授提出的论点，即对于在量子叠加态中保持足够长时间的大质量物体，量子力学可能会失效。虽然本次实验未达到检验这一想法所需的质量或时间尺度，但研究团队希望这项技术能成为迈向更重物体实验的一步，包括纳米金刚石（一种可用于量子传感和生物标记的纳米级金刚石颗粒），以探索这种可能性。类似的实验正在本-古里安大学的同一团队中进行。

这项国际合作研究还包括来自南安普顿大学、德国航空航天中心、乌尔姆量子技术研究所、乌尔姆大学和得克萨斯农工大学的研究人员。

附论文地址：https://doi.org/10.1126/sciadv.aec8045