科学家在量子世界中观测到爱因斯坦的引力理论

马特·斯韦恩

• 2026年9月2日

简报

• 研究人员直接测量了引力对自由落体原子量子相位的预测效应，发现爱因斯坦等效原理在测试条件下与量子力学一致。
• 量子伽利略干涉仪将超冷铷原子分成两条量子路径，一条保持静止，另一条自由下落，然后再将它们重新组合，以测量它们的相位差。
• 该实验既不能将引力与量子力学统一起来，也不能证明引力是量子的，但该技术可以为未来使用更重的物体（例如纳米金刚石）进行测试提供支持。
• 图片：实验装置概览。核心是一个真空室，其内部环境与太空环境相似，能够使原子保持静止。左侧是二维磁光阱（2D MOT），它将原子导入放置原子芯片的科学腔室。腔室周围环绕着天线、线圈和光纤，用于捕获和冷却原子，然后将其引导至两条不同的路径。最后，检测这两条路径之间的相对相位（即杜布科夫斯基相位）。

新闻稿——由诺贝尔物理学奖得主罗杰·彭罗斯爵士教授领衔的国际研究团队首次观测到引力对下落量子物体的长期预测效应。该结果表明，爱因斯坦引力理论的核心原理与量子世界中物质的行为仍然相符。这项由内盖夫本-古里安大学、乌尔姆大学和牛津大学共同领导的研究已于今日（9月2日）发表在 《科学进展》（Science Advances）杂志上。

一个多世纪以来，物理学家一直依赖于两种极其成功的自然描述理论。量子力学解释了原子和其他微小物体的奇异行为。爱因斯坦的万有引力理论解释了物体如何下落以及引力如何塑造宇宙。然而，物理学家至今仍未完全理解这两者是如何相互契合的。

如今，一个国际团队进行了一项实验，旨在探究二者交汇之处。在这项研究中，研究人员观察到原子在重力作用下下落时，其量子特性发生了显著变化。至关重要的是，他们测量到的这种效应，与爱因斯坦引力理论的基石——等效原理——应用于量子物体时所预测的效应完全一致。

等效原理指出，对于自由落体中的观察者而言，重力应该局部消失。例如，在电梯中自由下落的人会体验到失重状态。虽然这一理论经受住了涉及普通物质的极其精确的测试，但如何用量子物体进行实验验证却尚不清楚，因为量子物体可以表现为波，并有效地沿着多条路径传播。

这项实验的核心是一种研究人员称之为“量子伽利略干涉仪”的新装置。它使他们能够完成一项不寻常的任务：有效地将与原子相关的量子波分成两条路径，固定其中一条，同时让另一条自由下落，然后将它们重新结合起来，观察引力如何改变了下落的波。

用量子力学检验爱因斯坦原理

该实验在班古里安大学进行，使用冷却到略高于绝对零度的铷原子云，并在特制原子芯片的表面附近进行操控。

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的路径运动。然后，他们利用芯片上的微型导线产生精确控制的磁场。原子波的一部分会响应该磁场，从而使研究人员能够施加一个向上的力，该力恰好抵消了重力的向下作用力。实际上，这部分原子相对于实验室和地球保持静止。

另一部分则被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，从而可以在重力作用下自由下落——沿着弹道轨迹运动，类似于抛向空中的球。

在实验结束时，研究人员利用另一个精确控制的磁脉冲将两部分重新连接起来。当两束波重新汇合时，它们之间发生了干涉。这种干涉使得研究人员能够测量出在一束波下落而另一束波静止不动时积累的微小量子相位差异。

新实验中测得的相位与将爱因斯坦原理应用于此类量子波时预测的相位相同。因此，该结果为量子物理学和爱因斯坦引力理论之间建立了实验联系。

虽然之前的实验已经利用量子粒子来测量引力，但研究人员表示，这是首次直接测量自由落体物体的预测量子相位。

第一作者 罗恩·福尔曼教授 （内盖夫本-古里安大学）表示：“这是一篇独特的论文，因为它将一项艰巨的实验与一项意义深远的理论诠释相结合，探讨了物理学中最基本的问题之一：如何将引力（由爱因斯坦的相对论描述）和量子理论统一起来，从而对宇宙形成一种统一的理解？现代物理学的这两大支柱迄今为止一直未能被统一的理论框架所涵盖，但这项复杂的实验为如何实现这种统一提供了更多线索。”

该研究的共同作者 、牛津大学物理系教授弗拉特科·韦德拉尔 补充道：“我们目前还没有一个前后一致的理论来解释为什么量子物理学会失效。这项实验将量子力学推向了其最引人入胜的前沿领域之一——引力，并再次证明，量子力学的预测是正确的。”

该结果既没有统一量子力学和引力，也没有表明引力本身是量子性的。相反，它表明在所测试的范围内，爱因斯坦的等效原理与量子力学仍然相一致。

此外，这项研究并未推翻该研究的共同作者、牛津大学的罗杰·彭罗斯爵士教授提出的观点，即量子力学对于质量足够大的物体，在量子叠加态下保持足够长的时间后可能会失效。虽然目前的实验尚未达到验证这一观点所需的质量或时间尺度，但研究团队希望这项技术能够为后续使用更重的物体（包括纳米金刚石）进行实验奠定基础，从而进一步探究这种可能性。目前，内盖夫本-古里安大学的同一研究团队正在进行一项类似的实验。

这项国际研究的参与者包括来自内盖夫本-古里安大学、牛津大学、南安普顿大学、德国航空航天中心、乌尔姆量子技术研究所、乌尔姆大学和德克萨斯农工大学的研究人员。

https://thequantuminsider.com/2026/09/02/scientists-observe-einsteins-gravity-in-the-quantum-world/