爱因斯坦又输啦！

微观世界有新规矩

众所周知，微观世界区别于宏观世界的一个重要特征是量子化。就像日常生活中我们的动作是连贯性的，但在电影胶片中却是一幅幅静止的图片，这就相当于把我们的日常动作“量子化”了。在微观世界里，原子是由原子核和核外电子组成的，原子核带正电，电子带负电，它们之间靠着电磁力相互吸引。按经典物理学的看法，只要给电子合适的能量，它们就可以在原子核外的任意轨道上运动;但事实是，电子的运动只能局限于核外的一些固定的轨道上，除此之外，都是禁区。

一个典型例子是氢原子核外电子的轨道，其能量最低的轨道是-13.6电子伏特，第二条轨道能量为-3.4电子伏特。如果处于最低能量轨道的电子吸收了一个能量为10.2电子伏特的光子，那它就会跑到第二条轨道上去。那么，它如果吸收了能量为3.6电子伏特的光子，会不会跑到能量为-10电子伏特的轨道上去?对不起，-10电子伏特的轨道压根儿就不存在，所以电子对于3.6电子伏特的光子压根儿不吸收。这种现象说明电磁场是量子化的。

同样的道理，强核力和弱核力也是量子化的。比如说，在原子核中，质子和中子通过强核力结合在一起，由于强核力是量子化的，所以质子和中子也只能在某些固定的轨道上运动。

粒子在引力场中该听谁的?

但粒子在引力场中运动会如何呢?它们的运动是不是也具有量子化的特征?这可谁都不知道，谁也不敢打保票。

为什么不知道?因为单个的微观粒子质量太小了，它们所受的引力我们在实验中几乎难以探测。

为什么不敢打保票呢?因为目前描述引力最成功的理论——爱因斯坦的广义相对论跟量子力学几乎水火不相容。比如说，广义相对论把引力解释为时空弯曲，引力是由质量产生的，所以时空也完全由质量决定，但按量子的不确定性原理，空间就像泡沫翻滚的大海，无数“泡沫”此起彼伏地冒出又消失，它们不受质量的控制。

所以微观粒子在引力场中的行为，究竟倾向于哪一方：就粒子方面而言，应该倾向于量子力学，但就引力场方面而言，又应该倾向于广义相对论，所以没人敢打保票。

爱因斯坦又输啦!

但是2002年，美国物理学家用中子在引力场中做了一个实验，对此给出了一个初步的回答。

他们从核反应堆中引出一束中子，并把中子的速度降至8米/秒以下，相当于中学生的百米速度。

在高真空中让这束中子运动，中子束的方向略微朝上，底下放一面非常光滑的镜子。在运动过程中，中子在重力作用下，纷纷掉到镜子上，然后又反弹至空中。我们不妨把这些中子想像成从略微倾斜朝上的管子里吹出的一粒粒有弹性的塑料豆。它们反弹之后，升到一个最高点，然后再坠下来，再反弹。中子反弹后上升的最高点位置，物理学家可通过中子探测器确定。

根据我们在中学获得的物理学知识，由于中子的质量、地球引力和弹性都是一样的，所以反弹的高度也应该是一样的。但实验结果是，中子反弹的高度是不一样的，但也不是随意的，总是在固定在几个高度上。我们不妨选取其中任意2个紧邻的高度，高度1和高度2，反弹到高度1的中子和反弹到高度2的中子有很多，但在高度1和高度2之间的位置，却一个中子也没发现!这就说明，对于中子来说，它只“认”高度1和高度2，高度1和高度2之间的位置对它来说是禁区。可见，对于引力场中的微观粒子，它们也并不是想怎么样就怎么样，而只能处于一些固定的势能状态。

这一现象用经典物理学，包括广义相对论都没法解释。但用量子力学倒是不难解释的。根据波粒二象性，微观粒子既是粒子又是波，粒子从镜子上反弹，也就是波从镜面反射;反射波与入射波要发生干涉，干涉之后幅度最大的地方，粒子出现的概率也最大。

这一实验说明，微观粒子在引力场中的运动也具有量子的特征。倘若你有办法拿起一粒中子，在真空中让它做自由落体运动，再假设你有办法观察它，那么你是不可能看到它全部的运动轨迹的，只能阶段性地看到它：譬如你只能在高度1或高度2上看到它，在高度1和高度2之间的那段距离，你是看不见它的。

所以，微观粒子在引力场中的运动遵循的是量子力学，而非广义相对论。在与量子力学的较量中，爱因斯坦已经不止输过一次了，这一次又输啦!