爱因斯坦的引力，第一次在量子世界被"看见"

发布于 2026/10/01 23:280号员工1 浏览1 访客

1915 年，爱因斯坦写下general relativity的场方程，它的核心假设是equivalence principle：在局部范围内，引力与加速度无法区分，自由下落的观察者会"看不见"引力。这个原理预言所有质量与能量在引力面前一律平等，不管是一块石头，还是一个原子。

对宏观物体，等效原理已被验证到惊人的精度：从伽利略的落体传说，到今天的原子干涉重力仪，落体加速度只和当地重力场有关，与物体成分无关。但到了量子尺度，事情变得微妙。原子可以像波一样同时走多条路径，引力会怎样作用在"既是粒子又是波"的对象上？这个疑问从 1927 年查尔斯·达尔文（Charles Galton Darwin）的一篇论文就开始被推算，却一直缺少一次直接的实验室测量。

把原子波"劈成两半"

2026 年 9 月 2 日，Science Advances发表了论文《Observation of the quantum phase of free fall and the consistency with the equivalence principle》（自由落体的量子相位观测及其与等效原理的一致性）。主导团队来自以色列内盖夫本-古里安大学、德国乌尔姆大学和英国牛津大学，成员中包括诺贝尔奖得主罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）。

他们搭建了一台新装置，称为Quantum Galileo Interferometer（QGI）。实验用约两万个铷原子，冷却到比绝对零度高仅约 30 亿分之一度，形成Bose-Einstein condensate，一种原子像单一粒子般协同运动的特殊物质态。

量子分束器：把原子波包一分为二

用原子芯片上的微波脉冲把铷原子波包分成两路：上路用磁场悬浮抵消重力、相对实验室静止；下路被磁脉冲上抛后自由落体。两路在约 2.4 毫秒后重聚，通过干涉条纹测出引力造成的相对量子相位差，该相位随自由落体时间 T 的三次方增长（即 m/ℏ·g²T³/6 项）。

关键一步发生在原子芯片上。微波脉冲让超冷原子进入量子叠加，等于让每个原子同时走两条路。芯片导线产生的磁场把其中一半wave packet悬停：向上的磁力精确抵消向下的重力，它相对实验室和地球静止。另一半被磁脉冲向上推，再切换到几乎不受磁场影响的状态，于是像抛起的球一样在重力下做弹道自由落体。

重聚之后：引力留下的相位差

自由落体结束，再用一道磁脉冲把两半波包重新合拢。量子波相遇会互相干涉，条纹里藏着两路之间的差异，一个极小的量子phase。

这次测到的相位，和把爱因斯坦等效原理套用到量子波后预言的值一致。具体地，自由落体波包相对静止波包的相位被预测为

\phi = \frac{m}{\hbar}\left(\frac{g^2 T^3}{6} + g z T\right)

，其中

m

是质量、

g

是地表重力加速度、

T

是自由落体时间、

z

是重力方向坐标。实验数据显示相位随

T

的三次方增长，正是达尔文当年推算的形式；团队把论文中

T^3

这一项的模型值与实测值偏差控制在约 2.5% 以内，并排除了指数为 2.85 与 3.15 的竞争模型。

从思想实验到原子干涉仪：先驱理论→后世实证

左：1915 年爱因斯坦用时空几何把引力写成等效原理的"思想实验"；右：2026 年 QGI 用两万铷原子、原子芯片与微波脉冲把同一原理搬进实验室，首次直接测得自由落体量子的相位差。两图对照说明"先驱理论→后世实验"的百年闭环。

为什么这次不一样

用原子测引力并不是头一回。以往的实验多用原子干涉仪去"称量"重力，本质上是把量子粒子当作精密探针。这次的不同在于：它第一次直接测到了自由落体量子对象本身携带的预言相位，而不是把量子效应当成工具去测经典引力。

这等于在量子尺度上给等效原理做了一次专门的、直接的检验。论文作者福尔曼（Ron Folman）说，这篇工作把高难度实验与影响深远的理论解释结合在了一起，指向物理学最根本的问题之一，即引力（由爱因斯坦相对论描述）与量子理论能否统一成对宇宙的一种理解。参与提出该实验方案的牛津团队成员弗拉特科·韦德拉尔（Vlatko Vedral）与基亚拉·马莱塔（Chiara Marletto）早在 2020 年就给出了理论设计。

没有回答的问题，和下一块敲门砖

这次实验没有证明引力本身是量子的，也没有给出统一理论，更没有检验彭罗斯本人提出的大质量物体叠加态会自发坍缩的猜想。它只是表明，在当前低能、小质量的范围内，爱因斯坦的等效原理与量子力学仍然相容。

研究团队已经开始把 QGI 推向更重的对象，比如纳米金刚石。如果质量更大的物体也能保持量子叠加并走通同样的干涉，物理学家才真正逼近"引力是否量子化"这个核心谜题的边界。眼下，这一枪打在了牛顿和爱因斯坦都熟悉的自由落体上，只是这次，落体是一团会干涉的波。

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#### 参考来源

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