爱因斯坦知道量子力学吗（爱因斯坦等效原理是什么）

等效原理是爱因斯坦引力理论（即广义相对论）的核心。该原理指出，我们在静止状态下受到的引力跟在运动加速状态下受到的惯性力是等效的。

实际上，这意味着惯性质量（火箭推进的质量）和引力质量（地球牵引的质量）之间没有区别。科学家已经反复对这种等效性进行了验证，迄今没有发现任何破缺。但这些测试假设了量子力学不会改变等效原理，该假设并不完全正确。

从左至右，玻色-爱因斯坦凝聚物形成的延时图像。

在相对论中，质量和能量是同一枚硬币的两面。对于非常小的物体，我们需要在量子力学中加以考虑，量子粒子可以处于能量状态的叠加态。处于这种叠加态的粒子同时具有两个能量状态，直至它被测量，届时它将只有一个固定的能量状态。处于能量状态叠加态的物体可以处于惯性质量的叠加态，但它是否也可以处于引力质量的叠加态呢？

要按等效原理来说，是的，它应该可以。但是，等效原理的数学陈述并没有考虑物体的量子特性。

现在，两位研究人员重新阐述了等效原理，使其将能量在量子物体内部的可能分布形式考虑在内。

他们的结论是，虽然经典等效原理要求经典惯性质量与引力质量等效，但这对量子力学来说还不够。现在，我们要探讨一些比较专业的东西了。这些研究人员还发现，在一个量子系统中，惯性质量和引力质量的算符必须是对易的，这是什么意思呢？

在物理学中，当两个算符是对易的，那意味着我们可以对其中一个的物理量进行测量而不会对另一个的值造成干扰。举一个最有名的例子，位置和动量是不对易的。如果我们测出一个电子的位置，那我们就无法知道它的动量是多少。如果我们先测出这个电子的动量，就无法知道它的位置在哪里。对动量和能量来说，情况就不是这样了。如果我们先测动量再测能量，并不会失去有关动量的信息。

从某种意义上讲，关于惯性质量和引力质量必须对易的说法是无关紧要的：如果惯性质量和引力质量是一回事，那么它们就拥有相同的算符，且必然是对易的。如果不是这样，那就等于说测量电子的动量就会破坏有关电子动量的信息，这根本说不通。

同样地，测量粒子的质量不会破坏有关粒子质量的信息。然而，如果惯性质量和引力质量不是一回事，测量惯性质量就会让引力质量变得不确定。

其结果是，对等效原理进行的经典测试可能达成一致，而事实上，测试已经违背了等效原理。要证实等效原理同样适用于量子物体，我们需要进行额外的测量。

我们来举个例子吧，物理学家有时候会利用玻色-爱因斯坦凝聚物（BEC）来测试等效原理。BEC是一个原子团，其行为特征类似于单个量子粒子。在测试中，研究人员把原子团分为两个相等的部分，并沿着两条不同的路径发送出去，让它们在另一端再次相遇。在一条路径中，研究人员让BEC原子团处于叠加态，即让它同时具有两个能量状态。引力会作用于两个原子团，但产生的效果应该是不一样的，因为其中一个原子团具有不同的内部状态。

当两个原子团再次相遇时，它们会产生干涉作用，从而在材料上产生光斑，研究人员可以在屏幕上看到或明或暗的区域。如果一切顺利且等效原理是成立的，暗斑就会是全暗的，而亮斑将非常亮。

如果惯性质量和引力质量不是一回事，就不会形成完美干涉。亮斑将没有那么明亮，而暗斑也会有些许光亮。

针对量子等效原理进行的一系列量子测试存在着类似的差异，其他的测试难度很大。研究人员对四种不同的实验进行了检验，他们发现其中三种在当前以及近期都达不到足够的敏感度。至于剩下的那一种方法，一项早期的实验已经证明了它的可行性，并证实等效原理是成立的。

应该指出的是，这篇文章略过了很多技术细节。尤其是，等效原理可以分为弱等效原理、局部洛伦兹不变性以及局部位置不变性，这三者共同构成了爱因斯坦等效原理。通常，大多数实验只是对三者其中之一进行测试（往往是弱等效原理）。

然而，研究人员现在正对所有三种原理进行测试，如果实验可以提升到本文所说的那种灵敏度，那将是对爱因斯坦等效原理的最强测试。

翻译：何无鱼

校对：李莉

编辑：漫倩

来源：Ars Technica

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