当量子力学与相对论相遇时会发生什么？

# 当量子力学遇上相对论会发生什么？ 来源：https://arstechnica.com/science/2026/09/what-happens-when-quantum-mechanics-and-relativity-meet/ 实验让原子处于轨迹的叠加态以探求答案。 如何让一个涉及运动、另一个保持静止的量子态产生干涉？图片来源：ALIOUI Mohammed Elamine（https://www.gettyimages.com/detail/photo/futuristic-3d-animation-of-two-glowing-quantum-royalty-free-image/2255830341?phrase=atoms%20%20quantum&searchscope=image,film） 近一个世纪前，物理学家从理论上推导出自由落体对量子波的影响。如果他们得出的解决方案是错误的，那么量子力学与爱因斯坦的引力理论将产生直接矛盾。但由于无人能构建出可执行必要测量的干涉仪，检验这一理论一直无法实现。 如今，内盖夫本-古里安大学物理学家罗恩·福尔曼领导的团队——包括来自德国、英国和美国的合作者，以及诺贝尔奖得主罗杰·彭罗斯——成功实现了这一目标。他们建造了一种新型干涉仪，能让单个原子同时拥有两条可能路径：一条涉及自由落体，另一条则使其保持绝对静止。两条路径在同一时刻抵达同一终点，使团队得以测量下落过程对原子波动特性的影响。 ## 漫长的求索之路 自伽利略时代起，物理学家就已懂得如何描述下落物体的位置、速度与加速度。然而量子力学坚称每个物体同时也是一个波。“每个粒子——无论是汽车、飞船还是原子——都是波，”福尔曼说道。“一切波动现象，如海浪或声波，都会起伏振荡。而你所处的波峰或波谷位置，正是通过相位这个概念来衡量的。相位仅能告诉你处于波的顶部还是底部。” 原子的波动性只有在原子几乎静止时才会显现，而这仅发生在其被冷却至接近绝对零度时。自理论家首次研究该问题以来的许多年里，这种温度条件尚无法实现——将原子冷却到如此低温直至1990年代末才成为可能。“但这仅仅是这项实验旅程的起点，”福尔曼指出。 第二个障碍在于相位无法单独测量——它只有通过对比才能显现。“这只能是相对测量，需要将单个粒子分裂成两条轨迹，再使两条轨迹重新结合，”福尔曼解释道。他告诉Ars记者，这与双缝实验的原理相同：粒子通过两条窄缝射向背景屏时形成的干涉图案，正是其相位的体现。 在自由落体中测量同一现象则增添了额外的复杂性。“扔下一块石头，一秒钟后它会在你下方5米处，”福尔曼比喻道。团队面临的问题是：如何让下落的波包与留在原处的波包——即同一原子在另一条路径上的“孪生体”——重新接触并发生干涉。找到解决方案耗费了团队数年时间，尽管事后看来这个方法似乎相当直观。 ## 大炮与降落伞 用某种工具接住下落粒子并将其送回起点是不现实的。“即使你能用某种镊子或陷阱实现，这种剧烈操作也会产生太多噪声，我们将无法分辨什么是假象、什么才是我们真正想测量的效应，”福尔曼调侃道。因此团队确定，正确的方法是让原子处于路径的叠加态：其中一条路径将原子向上抛出，由重力将其带回原处；另一条路径实际上并非真正的路径——原子只是停留在原地。“你必须用大炮发射其中一个，使其做类似炮弹的抛体运动，”福尔曼比喻说。但这仅仅是问题的开始。 显然，挑战在于设计一门可能影响原子（从技术上讲，它只影响原子的一个波包而不影响另一个）的“大炮”。 接着是保持系统处于量子态的问题。干涉现象只会在完全无法判断粒子所走路径（即使在理论上也无从判断）时才会发生——任何测量都会破坏量子叠加态，迫使粒子表现得像定域化的经典物体。不幸的是，从抛体飞行中返回的粒子运动速度很快，而静止的孪生体则不然。速度差异本身就包含了路径信息，因此干涉图案不会出现。 原子干涉仪已存在30年，但此前没有任何仪器能够实现福尔曼及其同事的目标。因此，他们建造了一种名为“量子伽利略干涉仪”的新型设备。 ## 芯片下的原子 量子伽利略干涉仪体积相当小巧，依赖微波和磁脉冲工作。它使用约20,000个维持为玻色-爱因斯坦凝聚态的铷原子，通过悬垂于其上方约113微米处的芯片微细导线电流进行约束。微波脉冲使每个原子进入两种状态的叠加态：一种状态受磁力影响，另一种则对磁力“绝缘”。随后磁脉冲扮演“大炮”角色，将任何对磁场敏感的原子向上击发。 这便将状态的叠加转化为轨迹的叠加。 紧随其后的第二个微波脉冲将原子翻转为相反状态，使得向上飞行的叠加态变为磁不敏感状态，并开始仅受重力作用下落。与此同时，其静止孪生体变得对磁性敏感，但磁场被精确调节使其向上的作用力恰好抵消原子重量，从而有效实现相对于地球的悬浮静止。 当下落轨迹返回时，第二个磁脉冲充当“降落伞”，在其返回起点时恰好消除其速度。在福尔曼的实验中，两条轨迹最远相距约7.5微米，最长飞行时间持续两千分之一秒。 每轮实验结束时，落入干涉仪两个出口之一的原子，会根据下落路径积累的相位进行分类。随着研究者延长下落时间，该相位相应增加——这一行为符合理论预测。 “当处于自由落体时，人不会感受到自身重量。他没有重量。有时我们[在快速下降的电梯中]能体验到[这种感觉的]一点，”福尔曼说道。在量子世界中，从下落原子的视角看，它经历不到重力或其他任何力，其波函数不应积累额外相位。而从实验室视角看，重力正在拉动同一段下落相位，因此其波函数应积累理论预测的特定相位。这一相位差确实在数据中显现。 “我们得以证明，量子系统的行为仍然遵循等效原理，”福尔曼指出。“这是首次证明等效原理在处于叠加态的量子系统中依然成立。” 最终，测得的量子波相位与理论预测值存在2.5%的偏差。团队认为，这一结果在爱因斯坦相对论与量子力学的交界处设立了一个检验点——这是物理学中两个伟大的理论却顽固地拒绝协同工作的例证。 “这种[不相容性]对物理学家而言是个如此严峻的问题，以至于非常聪明的人认为，这暗示着这两个理论中至少有一个从根本上就是错误的，”福尔曼说道。遗憾的是，量子伽利略干涉仪并未让我们更接近于找出是哪一个理论出错。但福尔曼和他的实验室已经有了路线图，希望有朝一日能达成目标。 ## 钻石实验 福尔曼认为，答案可能存在于更大质量的物体中。如今，他的实验室正在建造量子伽利略干涉仪的放大版实验装置，旨在将纳米钻石置于同样的叠加态——这种物体比原子重10个数量级，其质量足以扭曲周围的时空。“如果我们把同一个纳米钻石同时置于两个位置，实际上就创造了两种不同时空曲率的叠加态，”福尔曼解释道。而根据彭罗斯提出、匈牙利物理学家拉约什·迪奥西独立发展的假说，这正是量子力学应当失效之处。 “罗杰·彭罗斯认为，宇宙无法维持弯曲时空的叠加态。这种叠加应当会发生坍缩，”福尔曼表示。观测到这种坍缩现象的发生或未能发生，将是对引力是否具有量子属性的最直接检验。团队希望在接下来的四五年内实现纳米钻石的叠加态实验。“这是个极其艰巨的项目，”福尔曼坦言。 《科学进展》，2026年。DOI:10.1126/sciadv.aec8045 (https://doi.org/10.1126/sciadv.aec8045) Jacek Krywko的照片 (https://arstechnica.com/author/jacek_krywko/) Jacek Krywko是一位自由科学与技术撰稿人，报道太空探索、人工智能研究、计算机科学及各类工程技术奇迹。 12条评论 (https://arstechnica.com/science/2026/09/what-happens-when-quantum-mechanics-and-relativity-meet/#comments) 1. 热门文章首篇图片：物理学家计算《星际迷航》"皮卡德 maneuver" (https://arstechnica.com/science/2026/09/physicist-does-the-math-on-star-treks-picard-maneuver/)