2026年9月3日——包括诺贝尔物理学奖得主Roger Penrose爵士教授在内的一个国际团队首次观测到了长期以来被预测的引力对下落量子物体的影响。结果表明，爱因斯坦引力理论核心的一项基本原理与量子世界中物质的行为仍然一致。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今天（9月2日）发表在《Science Advances》上。

一个多世纪以来，物理学家们依赖两个极其成功的自然描述。量子力学解释了原子及其他微小物体的奇特行为。爱因斯坦的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，物理学家们仍不完全理解两者如何契合。

现在，一个国际团队开展了一项探及两者交汇点的实验。研究中，研究人员观察到原子在引力作用下下落时其量子特性发生了一种独特变化。至关重要的是，他们测量到的效应与将爱因斯坦等效原理（其引力理论的基石）应用于量子物体时所预测的效应相同。

等效原理指出，对于自由下落的观察者来说，引力应当局部消失。例如，在电梯中自由下落的人会体验到失重。虽然这一理论经受住了涉及普通物质的极其精确的检验，但尚不清楚如何在量子物体上进行实验验证，因为量子物体可以表现得像波，并实际上沿多条路径同时传播。

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。它使研究人员能够做一些不同寻常的事情：将与原子相关的量子波有效地分成两条路径，让其中一条保持原位，同时让另一条自由下落，然后将它们重新合并，以观察引力如何改变了下落中的波。

将爱因斯坦原理付诸量子检验

该实验在内盖夫本-古里安大学进行，使用的是冷却到仅略高于绝对零度的铷原子云，并在一种特殊设计的原子芯片表面附近进行操作。

包括博士生Or Dobkowski在内的实验团队首先使用微波脉冲将超冷原子置于量子叠加态，使每个原子实际上同时沿两条不同路径传播。随后，他们利用芯片上的微型电线产生精确控制的磁场。原子波的一部分对该磁场作出响应，使研究人员能够施加一个向上的力，恰好抵消向下的引力。实际上，这部分相对于实验室和地球保持静止。

另一部分则通过一个精确控制的磁脉冲被向上推动，然后转入一种几乎不受磁场影响的状态，从而得以在引力作用下自由下落——沿弹道轨迹运动，类似于抛向空中的球。

在落体运动结束时，研究人员用另一个精确控制的磁脉冲将两部分重新合在一起。当两个波重新结合时，它们发生了相互干涉。这种干涉使研究人员能够测量到当一部分下落、另一部分保持静止时所累积的量子相位的微小差异。

新实验中测量到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。因此，该结果为量子物理学与爱因斯坦引力理论之间提供了一种实验性联系。

尽管先前的实验已使用量子粒子测量引力，但研究人员表示，这是首次对自由下落物体所预测的量子相位进行直接测量。

第一作者、内盖夫本-古里安大学的Ron Folman教授表示：“这是一篇独特的论文，在于它将一项艰难的实验与一种影响深远的理论诠释结合起来，探讨物理学中最基本的问题之一：引力（由爱因斯坦的相对论描述）与量子理论如何统一为对宇宙的单一理解？现代物理学的这两大支柱迄今让所有统一理论框架的尝试都落空，但这项复杂的实验为实现这种统一提供了更多线索。”

研究共同作者、牛津大学物理学系的Vlatko Vedral教授补充道：“我们没有一致的理论告诉我们为什么量子物理应当失效。这项实验将量子力学推入其最引人入胜的前沿领域之一——引力，并再次表明它的预测依然成立。”

该结果并未将量子力学与引力统一起来，也未表明引力本身是量子的。相反，它证明了在测试的范围内，爱因斯坦等效原理与量子力学仍然一致。

此外，该研究并未推翻研究共同作者、牛津大学的Roger Penrose爵士教授提出的论点，即对于在量子叠加态中保持足够长时间的足够大质量的物体，量子力学可能会失效。虽然本实验尚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将成为迈向使用更重物体（包括纳米金刚石）进行实验的一步，从而探究这种可能性。目前，这项实验正在内盖夫本-古里安大学的同一研究小组中进行。

这项国际研究的参与者来自内盖夫本-古里安大学、牛津大学、南安普敦大学、德国航空航天中心量子技术研究所（乌尔姆）、乌尔姆大学以及德克萨斯A&M大学。