量子实验首次验证爱因斯坦等效原理- 大数跨境

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量子实验首次验证爱因斯坦等效原理

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2026-09-28

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近日，据美国《科学日报》报道，一个包括诺贝尔物理学奖获得者罗杰·彭罗斯在内的国际团队首次在一个下落的量子物体中直接观测到一种早已被预测的引力效应。

研究结果表明，在测试条件下，爱因斯坦引力理论的一项核心原理与量子行为依然保持一致。这项由内盖夫本-古里安大学、乌尔姆大学和牛津大学主导的研究于9月2日发表在《科学进展》杂志上。

现代物理学建立在两个极其成功的理论框架之上。量子力学描述了原子及其他极小物体的不寻常行为，爱因斯坦的引力理论则解释了物体的下落运动以及宇宙的大尺度结构。尽管这两个理论各自取得了巨大成功，但物理学家至今仍未找到一个能将两者结合起来的完整理论。

这项新实验探索了这两个理论体系的重叠之处。研究人员测量了原子在引力作用下运动时其量子特性的特定变化。科学家观测到的效应与一项理论预测相符：即将爱因斯坦引力理论的基石之一“等效原理”应用于量子物体时所推导出的结果。

等效原理指出，对于处于自由落体状态的观察者而言，引力在局部范围内应当消失。例如，一个人在电梯中自由下落时会体验到失重感。利用普通物质进行的实验以极高精度验证了这一原理，但直接利用量子物体进行验证则困难得多，因为量子物体可以表现得像波，并能同时沿多条路径运动。

为进行这一验证，研究团队制造了一种名为“量子伽利略干涉仪”的装置。该装置使研究人员能够将与原子相关的量子波分成两条独立的路径：一部分保持静止，另一部分则进行自由落体运动。随后，这两部分波被重新汇合，以便研究人员测定引力对下落中的量子波产生了何种影响。

该实验在内盖夫本-古里安大学进行，使用的是被冷却至略高于绝对零度的铷原子云。实验中，这些原子是在一块专门设计的原子芯片表面附近被操控的。

包括博士生奥尔·多布科夫斯基在内的实验团队首先利用微波脉冲使超冷原子进入量子叠加态。这实际上让每个原子能够同时沿两条路径运动。

随后，芯片上集成的微型导线产生了精确控制的磁场。原子波的一部分与磁场相互作用，使研究人员能够制造一种向上的力，从而精确抵消重力向下的拉力。于是，这部分波相对于实验室和地球保持静止。

另一部分原子波则通过精确控制的磁脉冲被向上推。随后，它被切换到一种几乎不受磁场影响的状态，从而能够在重力作用下自由运动，沿着类似于向上抛出的球那样的弹道轨迹运动。

当下落运动结束后，另一个精确控制的磁脉冲将原子波的两部分重新汇合。汇合后的波相互干涉，使研究人员能够测量出在其中一部分下落而另一部分保持静止期间所积累的极微小的量子相位差。

研究人员测得的量子相位与将爱因斯坦的原理应用于此类量子波时所预测的相位一致。因此，该实验在量子物理与爱因斯坦对引力的描述之间建立了一种直接的实验室联系。

尽管此前已有实验利用量子粒子来测量引力，但研究人员说，这是首次直接测量由自由落体物体产生的预测量子相位。

研究报告的主要作者、内盖夫本-古里安大学教授罗恩·福尔曼说：“这是一篇独特的论文，因为它将一项高难度的实验与一项影响深远的理论解释结合在了一起，探讨了物理学中最根本的问题之一：如何将(爱因斯坦相对论描述的)引力与量子理论统一起来，形成一种对宇宙的认识？作为现代物理学的两大支柱，这两者至今仍未能在统一的理论框架下融合，而这项复杂的实验为如何实现这种统一提供了更多线索。”

这一发现并未提供量子力学与引力的统一理论，也未证明引力本身具有量子特性。不过，它表明在实验所探索的范围内，爱因斯坦的等效原理与量子力学依然相容。

研究人员希望这项新技术最终能扩展应用于质量大得多的物体，包括纳米金刚石。内盖夫本-古里安大学的同一研究小组已着手开展旨在验证这一可能性的实验。

以上来自：新华网有调整

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