物理學家將數千個原子推向"薛定諤的貓"態——將量子世界拉近現實

研究人員證實，一個由7000個鈉原子組成的納米顆粒可以表現出波動性，創造了疊加態的新紀錄。

物理學家已將數千個原子置于"薛定諤的貓"態——打破了在量子態下被觀測到的最宏觀物體的紀錄。在一項新研究中，研究人員觀測到由7000個鈉原子組成的納米顆粒作為一個整體波進行運動，將奇異的量子力學世界推向了新邊界?；诖隧椦芯?，未來的實驗或許最終能將生物分子置于量子態，從而開辟研究其物理特性的新途徑。

實驗中，研究團隊產生了一束鈉納米顆粒流，并將其射向一個狹窄狹縫。他們發表于1月21日《自然》期刊的研究結果顯示，鈉納米顆粒在穿過狹縫后擴散并產生了干涉圖樣，表現出了被稱為"波粒二象性"的奇異量子行為。這些鈉納米顆粒現已共同創下了在量子疊加態中被觀測到的最宏觀物體的紀錄。

"通常人們想到量子力學時，會把它與微小的事物聯系起來，比如光子或電子。"該研究的主要作者、維也納大學物理學家塞巴斯蒂安·佩達利諾告訴《生活科學》雜志，"但量子力學本身并未設定任何界限。這正是我們在驗證的。"

既在此處，又在彼處

在量子領域，粒子可以既在此處又在彼處。這種奇異現象被稱為量子疊加。

量子物理學家埃爾溫·薛定諤曾用"薛定諤的貓"來比喻：將一只貓與一瓶毒藥放入密封盒子，毒藥瓶的釋放機關連接著一個放射性源，該源的衰變會觸發機關。這意味著盒子密封后，貓可能在任何時刻死去。這使貓處于既死又活的疊加態。只有打開盒子觀察貓時，疊加態才會坍縮，貓的狀態才會被確定為要么死亡，要么存活。

令人難以置信的是，這正是微觀粒子在量子尺度上的行為方式：在被觀測前，它們同時處于多個位置，并同時表現出粒子性和波動性。

這個奇異世界引發了一個問題：量子世界與我們日常觀察到的世界之間的邊界在哪里？粒子從何時開始表現出波動性？

我們之所以沒有在日常生活中處處看到量子疊加現象，是因為一個稱為"退相干"的過程。如果處于量子疊加態的物體與其環境發生相互作用，它就會退相干，不再同時處于此處和彼處；相反，它會被"固定"在一個確定位置。宏觀物體持續與環境相互作用，因此無法維持量子疊加態。因此，試圖觀測更大粒子表現出波動性的真正挑戰在于將其隔離，使其能保持相干的量子疊加態。

探尋干涉

在這項新研究中，佩達利諾嘗試觀測鈉大納米顆粒處于量子疊加態。為此，他和團隊將幾克鈉轉化為納米顆粒束，然后將其射向一個狹窄狹縫。

如果鈉納米顆粒處于量子疊加態，這意味著它穿過狹縫后會像波一樣擴散，從而產生干涉圖樣。然而，如果它退相干并開始表現得像經典粒子，鈉顆粒會筆直穿過狹縫，團隊只會觀測到一條平直線。

"整整兩年，我看到的都是平直線，"佩達利諾說，"我們試圖看到干涉圖樣，但結果總是平直線。最終，平直線實際上沒有幫助，因為它無法給出結論。"

終于，他們在探測器上一直看到的那條單一線條變寬，變成了明確無誤的干涉圖樣——這意味著鈉納米顆粒同時表現出粒子性和波動性。

"那一刻簡直難以置信，"佩達利諾回憶道，"當時已是深夜，我打電話給我的教授。他回到實驗室，我們一直測量到凌晨三點，直到鈉樣品耗盡。"

研究團隊計算出這些鈉納米顆粒的"宏觀性"（一種描述量子物體向經典世界延伸程度的物理量）為15.5，將之前的宏觀性紀錄提高了一個數量級。

這項發現為未來的實驗打開了大門，科學家有望在量子疊加態下觀測病毒或蛋白質等生物材料。該實驗代表了一個重大進步，使這種奇異的量子現象離現實世界前所未有地接近。

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