如果一颗石头从手中掉落，毫无疑问会朝下落去。然而，当“石头”替换为一个处于量子叠加态的原子时，事情复杂得多。量子世界的粒子并不总是处于明确的位置信息，它们可以表现为波动，且可以处于多种状态的叠加，甚至同一量子波可以沿不同路径同时演变。那么，爱因斯坦的引力理论在这种奇特的量子环境中是否依然适用呢？9月2日，《Science Advances》发表的一项重要研究为这一问题提供了答案。来自以色列本-古里安大学、德国乌尔姆大学、牛津大学等机构的国际研究团队首次直接测量了一个自由下落的量子物体在引力作用下所产生的特定量子相位，结果验证了爱因斯坦的等效原理。这听起来像是一个专业的实验结果，但实际上触及了现代物理学的一个核心问题：量子力学与引力是否能够和谐共存。

过去一个世纪，人类发展了两套极其成功的物理理论：量子力学和爱因斯坦的广义相对论。前者描述微观世界的原子、电子和光子，后者则揭示出引力不仅是简单的“拉力”，而是由于物质和能量所导致的时空几何变形所致。这两种理论在各自领域表现出色，但当同时考虑它们时，尤其是在黑洞中心或宇宙大爆炸等极端环境中，便显得十分棘手。因此，物理学家们一直在寻求将量子力学与引力统一于一个理论框架的方法，即“量子引力”。迄今为止，尚未找到令人信服的最终解释，但在确认量子物体是否会“感知”爱因斯坦所描述的引力之前，科学家们还需回答一个更为基础的问题。

这一实验的起点源于爱因斯坦的经典思想实验。在广义相对论中，等效原理是一个关键概念：对于自由下落的观察者来说，局部的引力似乎会“消失”。例如，如果你身处一部失去支撑、自由下落的电梯，会感觉自己漂浮着，手中的物品也不会如常掉落。这一现象是等效原理的直接体现。尽管以往人们对该原则进行了许多精密实验，但主要面向的是经典物体。与此不同，量子物体的行为复杂得多，一个原子可以视作波动体，甚至同时沿多条路径传播。因此，一个有趣的问题出现了：若一个量子波的一部分自由下落，而另一部分被固定，重合后会发生什么？ 龙8头号玩家

答案藏在量子干涉这一重要概念中。研究团队创造了一种名为“量子伽利略干涉仪”的实验装置，使用冷却至接近绝对零度的铷原子，以减少其运动并方便控制量子状态。随后，研究人员通过微波脉冲使铷原子进入量子叠加态，将一个原子的量子波分为两部分。其中一部分受到控制，重力被抵消，保持在原位；而另一部分则自在下落。用经典术语描述，一部分被固定，另一部分则下落。值得注意的是，这两个状态同属于同一个量子系统，研究者比较了在引力作用下自由下落的量子波究竟发生了什么变化。

一段时间后，研究人员应用控制脉冲使得两个路径重新合并。量子力学展现了其独特之处，两部分量子波发生了干涉，且干涉图样并非随机，而是反映了两条路径在演化过程中积累的相位差。研究人员并未直接观察到引力影响了原子，而是通过量子干涉读取了自由下落状态下量子波微小的相位变化。这一过程就如同一台极为精密的量子时钟沿两条不同路径走动，最终再重新汇合以观察时间差异。实验结果与将爱因斯坦等效原理应用于该量子系统所做的预测相符，这意味着在此次实验涉及的范围内，量子力学并未因引力的作用而表现出与等效原理相悖的现象。这一发现意义重大，因为它提出了一个根本性的问题：是否能够将爱因斯坦的引力原则扩展至量子世界？现阶段的答案是：最低限度可推进到目前的结果。研究团队认为，这是首次直接测量自由下落量子物体所产生的特定量子相位。