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科学家首次在量子层面验证爱因斯坦等效原理

科学家首次在量子层面验证爱因斯坦等效原理
【卡城华人网 www.calgarychina.ca】 2026-09-03 14:32

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【卡城华人网】科学家首次在量子层面验证爱因斯坦等效原理

现代物理学有个尴尬局面：掌管宏观世界的「广义相对论」与掌管微观世界的「量子力学」互不相容。问题来了：若一个微小原子经历自由落体，它会听哪套规则？科学家最近完成2 项实验，双双证实即使是量子物体，掉落时依然遵守爱因斯坦重力法则。

广义相对论（General Relativity）是物理学家爱因斯坦于1915 年提出的重力理论，将时空当成一个平滑、连续、可微分的几何结构（数学上称为「流形」）——时空曲率在这套框架下理应是个明确、连续的量。

量子力学则告诉我们，任何物理量在极小尺度下都会出现量子涨落（quantum fluctuations），即便是极短时间、极小空间尺度的真空，也会不断冒出因粒子对凭空产生又湮灭的剧烈扰动。

数学框架本身互相矛盾

当我们试图将这2 套规则同时套用到时空本身，也就是尝试让时空几何结构遵循量子力学的叠加与不确定性原理，数学上会产生不可控制的无穷大（算出来的物理量全部发散成无限大），使理论失去预测能力，这便是广义相对论与量子场论无法直接缝合的核心障碍。

此外，这2 套理论对「事件是否确定」的哲学立场完全相反，广义相对论骨子里是「决定论」——时空弯曲、物体运动轨迹，原则上都精确可预测，没有任何内建随机性，也就是爱因斯坦曾说过的「上帝不掷骰子」。

但量子力学核心是「随机性」与「机率」，一个粒子的位置、动量在测量前根本没有确定值，只有机率分布。

如果你询问「一个处于量子叠加态的粒子，周围时空弯曲程度多少？」这问题在目前理论框架下得不到有意义答案，因为广义相对论会要求你先给出确定的质量分布，才能算出对应的时空弯曲；但量子力学告诉你该粒子位置没有确定值，而是同时「叠加」在好几处。

日常生活中，这2 套理论的矛盾难以察觉，因为量子效应通常在极微观尺度下显现，重力效应也要在极大质量影响下才明显，两者仿佛各自为政，互不干扰——广义相对论完美描述行星、恒星、星系运动，量子力学完美描述原子、电子、光子行为。

但科学家还是不断寻找能同时解释万物的单一法则，试图结合广义相对论与量子力学。爱因斯坦曾在广义相对论预言等效原理，科学家想知道该原理是否也适用于量子物体。

爱因斯坦原理进行量子测试

以色列本-古里安大学、英国牛津大学、德国乌姆大学团队使用量子伽利略干涉仪将与原子相关的量子波一分为二（量子叠加），其中一条路径固定在适当位置，另一条路径自由落体，然后研究人员重新合并两者以观察重力如何改变下落的波，测量结果发现两者相位差与爱因斯坦等效原理预测的结果完全吻合。

虽然这些实验并未结合量子力学与广义相对论，但表明爱因斯坦等效原理在测试范围内与量子力学保持一致。

另一个实验则是中国科学家于天宫太空站进行，让2 团不同质量（中子数不同）的铷原子云自由落体，结果显示2 团原子雲加速度完全相同，是迄今在微重力环境下对弱等效原理最严格的量子级测试。

2 篇新论文皆发表在《Science Advances》期刊。

来源：科技新报

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