一个物体既是红的又是蓝的，一个粒子既在这里又在那里，一只猫既是死的又是活的……这些天方夜谭般的说法，正是量子力学令人匪夷所思的预言。作为上个世纪初最伟大的物理学发现，量子力学已经被无数实验观察所证实。然而，最近的一项研究预言，当考虑到广义相对论效应时，量子力学的推论并不那么理所当然。

有趣的是，尽管相对论是和量子力学几乎同时期出现的物理学理论，二者之间的兼容性至今仍存有许多争议。量子力学中最重要的原理之一是“相干叠加”（coherent superposition），比如一个电子可以同时存在于两个位置，只有在实验观察的那一刻才能确定它具体的方位。为了让人们理解这个概念，量子力学的鼻祖之一薛定谔（Schrodinger）曾经提出过一个思想实验：把一只猫关在一个封闭的盒子里，而盒子里有一瓶毒药和一个放射性源以及放射性探测仪器。如果仪器探测到放射性源发出的物质，会立即打破药瓶，猫就会被毒死；如果没有探测到，就不会打破药瓶，猫就是活的。根据量子力学，当一段时间之后，猫应当处于“死”与“活”的叠加态。但是如果这时人们突然打开盒子，只能观察到要么死要么活的猫，非此即彼，不会二者得兼。因为在观察的那一刻，猫会从叠加态“塌缩”到其中某个具体状态上。而在观察之前，原则上讲人们是无从知道的，只能承认猫处于叠加态。这个思想实验被人们称为“薛定谔的猫”。

严格地讲，相干叠加只存在于微观物体上。当物体变得很大时，量子相干性就变得几乎不可能。所以在我们平时熟悉的宏观世界里，是不存在“一个人既在纽约又在北京”的说法的，因为这仅是微观粒子的专利。随着物体从微观世界向宏观世界逐渐变化，会发生一种被称为“退相干”（decoherence）的现象，即原来的相干叠加越来越困难，这主要归因于物体和周围环境的相互影响。所以，为了研究较大物体的量子效应，就必须尽量地消除环境的干扰，虽然这几乎是不可能的。

然而，最近的一项研究发现，量子相干性除了会受环境干扰外，还面临着另一个更重要的挑战——引力。根据爱因斯坦的广义相对论，引力会带来一个奇妙程度不亚于量子力学的效果，叫做“时间膨胀”（time dilation），即引力让时间变得更慢。还记得在电影《星际穿越》中，在绕黑洞飞行的飞船里的一小时相当于地球上的七年吗？在现实生活中，这意味着当我们站在地球上，脚会比头部老得慢一些；在四川盆地里生活的人比在青藏高原上生活的人老得慢一些。当然这也许太夸张了，因为地球所能提供的引力太弱，远远不足以造成观察上的差别。不过，科学家们发现，对于地球上的量子实验来说，地球的微弱引力足以造成可观测的后果。Pikovski及其合作者发表在《Nature Physics》上的一项研究指出，一群原本具有量子相干性的原子，如果处于不同的垂直高度上，就会感受到微弱的引力差别带来的干扰，而这看似微不足道的差别却可以破坏它们原本的量子相干性。当注入更多原子时，退相干会发生得更快。Pikovski说，地球引力可以导致退相干在一个毫秒（千分之一秒）内发生，即便除此之外其他的干扰都被排除。打个比喻，这相当于是说，引力的存在强迫薛定谔的猫必须在“生”与“死”之间做一个选择。虽然Pikovski的预言目前只是理论推测，但剑桥大学的Andrew Briggs说对此给予高度评价，并相信自己有可能在未来证实这一理论。




如果这一预言被证实，就将意味着对量子相干性要求高的实验必须得在脱离地球引力的环境下进行，比如宇宙空间站。但苏黎世大学的Ruxandra Bondarescu认为，空间实验有它自身的问题，比如要克服宇宙射线等等，但这也不代表就完全不可能。她说，“也许在将来，引力导致的量子退相干将成为主导效应。”