破紀錄的薛定諤貓！

從微觀到宏觀

在量子力學中，光和物質(zhì)都能同時表現(xiàn)出粒子性與波動性?！?/strong>波粒二象性”的一個引人注目的結(jié)果是：有質(zhì)量的粒子能夠形成干涉圖樣，就像水波或光波相互疊加時所出現(xiàn)的干涉一樣。過去，科學家已經(jīng)在電子、中子、原子以及小分子等微觀粒子上，通過雙縫衍射或干涉實驗多次證明了這一點。

然而，這種現(xiàn)象仍被視為是反直覺的，因為在我們?nèi)粘Ｉ钏幍暮暧^尺度上，我們并不會觀察到這種現(xiàn)象：彈珠、石頭和塵埃顆粒都有明確的位置和可預測的軌跡——它們遵循經(jīng)典物理學的規(guī)律。因此，一個有趣的問題是：當研究對象變得更大、更復雜時，量子性質(zhì)會如何持續(xù)存在或發(fā)生改變？多年來，科學家已經(jīng)用一系列質(zhì)量與復雜性都不斷增加的物體進行了相關探索。

現(xiàn)在，在一項新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，來自維也納大學的物理學家團隊探測到了由數(shù)千個鈉原子構成的質(zhì)量很大的納米粒子的量子干涉，首次證明了物質(zhì)的波動性在質(zhì)量很大的金屬納米粒子中同樣能夠保持——即便這些粒子團簇的直徑達到了令人驚嘆的8納米左右（與現(xiàn)代晶體管結(jié)構的尺寸相當），質(zhì)量超過170,000個原子質(zhì)量單位（比大多數(shù)蛋白質(zhì)更重）。

薛定諤貓

長期以來，物理學家一直在爭論：經(jīng)典的日常世界究竟如何從其底層的量子世界中浮現(xiàn)出來。1935年，薛定諤（Erwin Schr?dinger）通過他的“貓”思想實驗，展示了量子力學一些常見解讀的荒謬之處。

在那項被稱為“薛定諤貓”的著名思想實驗中，一只貓被放進一個盒子里，盒中還有一瓶毒藥，如果某個放射性原子發(fā)生衰變，毒藥就會被釋放出來。如果盒子始終與外界隔離，那么放射性原子就會處在“已衰變”和“未衰變”的疊加態(tài)中——如此一來，在進行觀測之前，這只貓就處在一種“既死又活”的未定狀態(tài)。

薛定諤的這一思想實驗意在表明，把量子疊加應用到宏觀物體是行不通的。一些物理學家認為應對量子力學作出修正，于是提出了“坍縮理論”。根據(jù)這些理論，一旦超過某個臨界點，一個系統(tǒng)即使處于孤立狀態(tài)，也將不可避免地約化為經(jīng)典態(tài)。

另一些物理學家則認為量子力學無需改變，因為物體與外界之間不受控制的相互作用會阻止物質(zhì)波干涉的顯現(xiàn)。根據(jù)這種思路，從原則上講，波粒二象性可以適用于任何有質(zhì)量的物體；但隨著物體質(zhì)量增加，環(huán)境相互作用會使這種效應在實驗上變得難以觀測。

究竟哪一種觀點更接近事實？研究人員認為，回答這個問題的唯一辦法，就是把量子實驗“做大”。

新紀錄

在新的研究中，研究人員在77開爾文的低溫下，在高真空中制備出了由5,000~10,000個原子組成的一束鈉團簇。隨后，他們讓這些超冷的鈉團簇通過一系列由激光束形成的駐波。這些駐波充當了三道衍射光柵，用于產(chǎn)生并探測納米粒子物質(zhì)波的干涉：

• 第一道光柵做了兩件事：只讓納米粒子在駐波的節(jié)點處通過，從而讓產(chǎn)生的物質(zhì)波“步調(diào)一致”——即彼此相干；

• 隨后它們通過第二道光柵，使這些波以一種獨特的圖樣發(fā)生干涉；

• 第三道光柵用于統(tǒng)計不同位置的粒子數(shù)，進而解析出干涉條紋。

用于探測納米粒子的物質(zhì)波干涉實驗。（圖/Pedalino et al. / Nature）

研究人員觀測到了鈉團簇的物質(zhì)波干涉。因此，這項研究印證了：在一個令人驚嘆的巨大尺度上，標準量子力學仍然成立——至少對那些比單個原子復雜得多、也更接近宏觀物體的對象而言。

在這種尺度上觀測量子效應是很困難的，研究團隊用了兩年時間才終于能夠看到信號。他們實現(xiàn)的疊加態(tài)尺度比先前的紀錄提升了一個數(shù)量級——這是用一種被稱為“宏觀性”的度量指標得出的，這一指標度量的是：一個量子實驗能以多嚴格的程度，排除哪怕最微小的、偏離量子理論的可能性。

在這項實驗中，研究人員實現(xiàn)了宏觀性μ = 15.5的數(shù)值。 這比迄今為止全球所有其他實驗的結(jié)果高出大約一個數(shù)量級。如果要用電子實現(xiàn)同樣嚴格的檢驗，就必須讓電子的量子疊加態(tài)維持大約一億年。而維也納大學實驗室里的這些重納米粒子完成同樣嚴格程度的檢驗，只需要大約百分之一秒。

研究人員表示，未來他們還將在實驗中研究更大的物體以及其他類別的材料，預計這將帶來對量子物理更有力的檢驗。他們的目標是在未來幾年把這一新的紀錄再提升幾個數(shù)量級。

#參考來源：

https://www.eurekalert.org/news-releases/1113395

https://www.nature.com/articles/d41586-026-00177-9

https://www.nature.com/articles/d41586-025-04097-y

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09917-9

#圖片來源：

封面圖&首圖：S. Pedalino / Uni Wien