下落原子显现爱因斯坦预言的量子相位差

一颗原子在下落时，其量子波会不会留下可测量的“引力印记”？由 Ron Folman 领衔的国际团队给出了直接测量结果：他们在超冷铷原子上测得由地球引力引起的量子相位差。结果在实验精度范围内，与爱因斯坦等效原理给出的预言一致。24

这项实验使用被命名为量子伽利略干涉仪（Quantum Galileo Interferometer）的装置。核心并不是只记录原子像经典小球一样如何落下，而是让同一个原子的量子波沿两条可相干的路径演化，并比较它们最终的差异。

测到的究竟是什么？

量子粒子可由波函数描述。波函数在演化中会积累一种称为相位的量；相位本身通常不能单独直接读出，但若将两条保持相干的量子路径重新合并，它们之间的相对相位会改变干涉信号。

实验中，研究人员在原子芯片附近用微波脉冲把原子制备成叠加态，相当于让原子波同时经历两段不同的历史：其中一支由磁场抵消重力、在实验室参考系中近乎静止；另一支则先被向上发射，随后沿上升和下落的弹道自由运动。两支原子波重组后，二者累积的相对引力相位就转化为可测的干涉信号。24

测得的相位差与等效原理在这一实验条件下的预期相符。等效原理是爱因斯坦引力理论的基本原则之一：在足够小的局域范围内，自由落体与引力效应具有等价关系。24

为什么这项检验重要？

它检验的不只是经典轨迹，而是一个处于叠加态、能产生干涉的量子物质波。换言之，在地球较弱引力场和超冷铷原子的实验尺度上，量子演化所呈现的结果与等效原理的预言彼此一致。24

这为两套常被认为难以完全协调的理论框架建立了实验联系：量子力学描述原子的叠加与干涉，引力则为两条路径带来的相位差提供来源。

这并不代表“量子引力已被证明”

需要避免过度解读。这项结果没有统一量子力学与广义相对论，也没有证明引力一定是量子化的、探测到引力子，或决定性地区分“量子引力”与“经典引力”。23

若要更直接地检验引力是否具有量子性质，一个可能路径是证明：引力能够让两个充分隔离的有质量物体产生纠缠。已有方案提出让微米尺度晶体处于空间叠加态，例如含有氮—空位（NV）色心自旋系统的纳米金刚石，再检测它们的相互引力是否生成纠缠。34

彭罗斯的“引力相关坍缩”设想处在什么位置？

Roger Penrose 提出过另一种可能性：足够有质量的物体若处于空间上分离的叠加态，不同分支对应的时空几何可能无法无限期地保持相干。在相关的迪奥西—彭罗斯（Diósi–Penrose）模型中，叠加态的预期衰减时间与两种质量分布之间的引力自能差有关。36

这是关于量子力学可能存在适用边界的一种假说，而非本次铷原子实验得出的结论。单个原子的质量和空间分离尺度，并不是这类模型最容易显现效应的参数区间。

为什么下一步要研究更重的量子对象？

坍缩模型的检验目标，是制备远比单个原子更重的物体的空间叠加态，并寻找无法由普通环境噪声解释的相干性损失。相关综述指出，大质量物体的空间叠加是最直观的检验途径，因为这类模型可能禁止标准量子理论所允许的叠加态。33

未来若能用悬浮纳米金刚石或其他小型晶体构建干涉仪，实验需要在严控环境退相干的同时，长时间维持相干性。若系统保持干涉的时间超过某模型预言的衰减时间，该模型将受到约束；若观测到可重复、并随质量、空间分离和时间按预言规律变化的额外退相干，则值得深入追查。不过，研究人员仍须排除实验噪声及其他非引力机制。333436

就目前而言，量子伽利略干涉仪带来的最稳妥结论是：在已测试的条件下，自由下落的量子物质波积累了与爱因斯坦等效原理预言一致的引力相位。24