一个原子沿两条路径下落，量子相位遵循爱因斯坦的预言

从实验室观察到的下落，怎样与随物体一起下落的观察者所见进行比较？一个国际团队把爱因斯坦的这个问题变成了原子干涉实验。在一条路径上，每个铷-87原子对应的波相对于地球几乎静止；在另一条路径上，它先受到短暂的向上推力，随后在引力作用下沿抛物线运动。两条路径重新合并后，研究人员测量了累积的相位差。结果于9月2日发表于《科学进展》，在实验覆盖的范围内符合等效原理所预言的时间依赖关系。

实验以大约两万个原子构成的玻色—爱因斯坦凝聚体开始，经准直后的有效温度为3.3纳开尔文。原子云位于原子芯片下方约113微米处。微波脉冲把每个原子置于两个内部态的叠加中。由于两个状态对磁场的响应不同，芯片上的微型导线可以用磁力托住一个波包抵消引力，同时把另一个波包送入弹道轨迹。论文所述的一个实验条件下，两者最大间距达到7.5微米，约为波包尺寸的七倍。

关键测量量不是下落距离，而是相位，也就是量子波在一个周期中的位置。当两个波包再次在位置和速度上重合时，一个脉冲将它们重新组合并产生干涉。各内部态中探测到的原子比例给出了相对相位。团队改变飞行时间后看到三次方特征：相位随时间的立方增长，正如实验室参考系与自由落体参考系之间的变换所要求的那样。数据跨越近80弧度，约13个干涉振荡；每组测量持续三到六小时。

这种三次方增长依赖于惯性质量与引力质量相等。前者衡量物体抵抗加速度的程度，后者决定物体对地球引力场的响应，两者相等正是等效原理的核心。在随弹道波包一同下落的参考系中，引力在局部消失；在实验室中，同一演化表现为额外相位。新装置被称为量子伽利略干涉仪，它直接比较这两个参考系，不用光脉冲充当原子路径的“镜子”。磁场负责操控波包，但下落期间无需始终与某个原子跃迁保持共振。

一个理想化解析模型和一套数值模拟都再现了数据；模拟纳入了三维运动、不完全重合、波包膨胀以及原子间相互作用。模拟与测量的残差约为2.5%。最主要的系统不确定性来自用于推动和托住波包的电流比例：微小失配会加入一个随时间线性增长的相位。因此，观测吻合确认了该装置和参数范围内的预言相位，却没有以最佳经典实验的精度检验所有可能违反等效原理的情形。

这项结果也没有证明引力已经量子化。地球引力场在实验中只是经典背景；它既没有被置于叠加态，也没有被原子可测量地改变。真正的新意更具体：处于叠加态的物质波保持了引力与加速度等效所要求的相位关系。这次测量连接了通常分开研究的两套描述，但本身并未给出广义相对论和量子力学的统一理论。

这套结构为更难的问题打开了实验路径。作者设想操控能够充当量子钟的波，并在未来以质量大得多的纳米颗粒取代原子。那类系统可能让质量本身成为叠加态中不可忽略的参与者，从而检验引力诱导坍缩的设想。在此之前，量子伽利略干涉仪已经建立了一条可测量的基准：当一个原子同时占据被托住的路径和自由下落路径时，两者之间的相位按照爱因斯坦理论与量子力学共同给出的预言演化。