愛因斯坦的等效原理如何在量子領(lǐng)域中發(fā)揮作用，這道難題幾十年來一直困擾著物理學(xué)家們?，F(xiàn)在有兩位研究人員可能找到了解開這個謎團(tuán)的鑰匙。

愛因斯坦的理論通過了幾乎所有經(jīng)典物理測試的驗證。但是當(dāng)進(jìn)入最微小的尺度——量子領(lǐng)域——后，事情表現(xiàn)得奇怪起來。

問題是，人們不清楚怎么把愛因斯坦的廣義相對論和量子力學(xué)協(xié)調(diào)在一起，主宰這兩個領(lǐng)域的規(guī)則彼此矛盾。

但等效原理——現(xiàn)代物理學(xué)的基石之一——是廣義相對論的基礎(chǔ)。如果可以把它納入到量子框架中，那么可能就會讓我們統(tǒng)一廣義相對論和量子力學(xué)。

簡單來說，等效原理意味著重力可以平等地加速所有物體，這可以在阿波羅15的指揮官大衛(wèi)·斯科特在月球上進(jìn)行的羽毛和錘子同時著地的著名實驗中得到驗證。

它也意味著引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量是等價的；簡單地說，如果你身處一個密封的房間，就像電梯箱，你將無法分辨你感受到的，到底是重力還是房間加速上升時施加在你身上的力。它們的效果是完全一樣的。

“等效原理認(rèn)為，任何物體的慣性和引力質(zhì)量都是等價的，這意味著所有物體在受到引力作用時都會以相同的方式下落?！卑拇罄麃咥RC工程量子系統(tǒng)卓越中心的物理學(xué)家Magdalena Zych解釋道。

“物理學(xué)家們一直在爭論這個原理是否適用于量子系統(tǒng)，所以要在量子世界中觀察粒子與重力如何相互作用。我們意識到要做到這一點，我們必須著眼于質(zhì)量?！?/p>

根據(jù)相對論，質(zhì)量和能量被統(tǒng)一在一起。但在量子力學(xué)中，就有點復(fù)雜。量子粒子可以具有兩種不同的能量狀態(tài)，具有不同的數(shù)值，這被稱為疊加態(tài)。

而且由于它具有能量狀態(tài)的疊加，它還具有慣性質(zhì)量的疊加。

這意味著——至少在理論上——它也應(yīng)該具有引力質(zhì)量的疊加。但量子粒子的疊加超出了等效原理所能解釋的范疇。

“我們意識到，我們必須看看質(zhì)量這種屬性在粒子的量子態(tài)中如何表現(xiàn)，以便理解量子粒子如何響應(yīng)一般的引力?！盳ych說。

“根據(jù)我們的研究，對處于不同質(zhì)量的量子疊加態(tài)中的粒子來說，該原理意味著出現(xiàn)了對經(jīng)典粒子來說不存在的額外限制——前所未有的發(fā)現(xiàn)。”

這一發(fā)現(xiàn)使他們能夠重新制定等效原理，以解釋量子粒子中的疊加態(tài)。

新理論尚未通過實驗驗證；但是研究人員認(rèn)為，這為以后的研究打開了一扇門。

它提供了一個新的框架來測試量子領(lǐng)域中的等效原理——我們簡直迫不及待地想要知道結(jié)果。

論文發(fā)表在Nature Physics上。論文指出，在一個量子系統(tǒng)中，慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量除了是等效的外，它們的算符必須是對易的。所謂對易的算符，指我們可以對其中一個的物理量進(jìn)行測量而不會對另一個的值造成干擾。

本文譯自 sciencealert，由譯者 majer 基于創(chuàng)作共用協(xié)議(BY-NC)發(fā)布。