一项于 2022 年进行的实验，首次观测到了引力版本的“阿哈罗诺夫-玻姆效应”。该实验表明，一个量子物体的状态（相位）会因其所处的引力势不同而改变，即便它并未受到任何引力作用。这一发现为“引力本质上是量子现象”这一观点提供了迄今为止最有力的实验线索。尽管这并非最终的决定性证据，但它成功地将一个纯粹的量子效应与引力联系起来，为探索宇宙中最弱的基本力开辟了新的道路。
现实世界的核心量子问题
在量子物理学中，双缝实验最能揭示现实的奇特性质。
- 当不被观测时： 当一个量子粒子（如电子）穿过双缝，它会像波一样同时通过两个缝隙，并与自身发生干涉，在后面的屏幕上形成明暗相间的干涉条纹。
- 当被观测时： 如果我们测量粒子到底穿过了哪个缝隙，干涉条纹就会消失。粒子会表现得像一个经典的台球，只在屏幕上留下两个对应缝隙的亮区。
这种奇特的行为体现了量子力学的核心：我们不能同时给一个粒子赋予确定的“位置”和“动量”。相反，我们必须将其视为一个由概率波函数描述的系统。目前，电磁力、强核力和弱核力这三种基本力都已通过量子场论得到验证，证实了其量子本性。然而，对于引力，我们仍然只有一个基于爱因斯坦广义相对论的经典描述。
我们知道当一个电子穿过双缝时，它的电场会如何表现。但是，当它穿过双缝时，它的引力场会发生什么？在没有可行的量子引力理论的情况下，我们无法做出可靠的预测。
阿哈罗诺夫-玻姆效应
经典物理学认为，带电粒子只受电场和磁场的影响。如果一个区域的电场和磁场都为零，粒子就不会受到力的作用。然而，量子力学揭示了一个更深层的现实，即阿哈罗诺夫-玻姆效应。
要理解这个效应，需要区分“场”与“势”。
- 场 (Field): 产生力的区域，如电场或磁场。
- 势 (Potential): 一个更抽象的概念，场由“势”的变化率产生。例如，电势（电压）的变化会产生电场。
关键在于，你可以在一个电场和磁场都为零的区域内，拥有一个不为零的“势”。经典粒子不会受其影响，但量子粒子的波函数相位却会。
阿哈罗诺夫-玻姆效应指出，一个带电粒子在围绕一个磁场区域运动时，其量子相位会发生改变，即使粒子本身从未进入磁场存在的区域。
这个效应在电磁学领域早已被证实。物理学家们因此推断，任何由“势”产生的力，包括引力，都应该存在类似的效应。
引力版本的实验
长期以来，探测引力的量子效应一直是个巨大挑战，因为引力实在太微弱了。直到 2022 年，一个实验团队成功地设计并执行了一项实验，旨在寻找引力版本的阿哈罗诺夫-玻姆效应。
实验流程大致如下：
- 准备粒子： 研究人员使用超冷原子，并利用激光将它们置于量子叠加态。
- 分离路径： 他们让原子波包在垂直的真空室中沿着两条不同的路径行进。
- 改变引力势： 在真空室的顶部放置一个巨大的质量块。这个质量块不会在原子路径上产生额外的引力（即引力场没有变化），但它会改变周围空间的引力势。路径较高的原子会比路径较低的原子经历更大的引力势变化。
- 重新组合与测量： 最后，让两条路径上的原子重新汇合。通过观察它们产生的干涉条纹，研究人员可以测量出由于引力势差异而产生的相位移动。
实验结果与理论预测完全吻合。这首次证实了引力势本身就具有真实的物理效应，能够影响量子系统的性质。
这意味着什么？
这次实验的成功是一个巨大的突破，它将量子力学与引力以前所未有的方式联系在一起。但是，这是否证明了引力是量子的？
不幸的是，它并不能断言这一点，只是提供了一个强有力的暗示。
这个实验证明了引力势可以像电磁势一样改变量子粒子的相位。然而，这种分析可以适用于任何源于“势”的场，无论是经典的还是量子的。在这个实验中，只有被测量的原子本身必须是量子的，而引力场本身是经典还是量子，仍无法确定。
尽管如此，它仍然是量子力学在引力影响下的一次伟大胜利，也是我们迄今为止获得的、关于引力量子本质的最强线索。对引力更深层次的探索仍在继续。