從微觀到宏觀

在量子力學(xué)中，光和物質(zhì)都能同時(shí)表現(xiàn)出粒子性與波動(dòng)性?！?/strong>波粒二象性”的一個(gè)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(shí)所出現(xiàn)的干涉一樣。過去，科學(xué)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(shí)驗(yàn)多次證明了這一點(diǎn)。

然而，這種現(xiàn)象仍被視為是反直覺的，因?yàn)樵谖覀內(nèi)粘Ｉ钏幍暮暧^尺度上，我們并不會(huì)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(yù)測(cè)的軌跡——它們遵循經(jīng)典物理學(xué)的規(guī)律。因此，一個(gè)有趣的問題是：當(dāng)研究對(duì)象變得更大、更復(fù)雜時(shí)，量子性質(zhì)會(huì)如何持續(xù)存在或發(fā)生改變？多年來，科學(xué)家已經(jīng)用一系列質(zhì)量與復(fù)雜性都不斷增加的物體進(jìn)行了相關(guān)探索。

現(xiàn)在，在一項(xiàng)新發(fā)表于《自然》雜志的研究中，來自維也納大學(xué)的物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)探測(cè)到了由數(shù)千個(gè)鈉原子構(gòu)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(dòng)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(tuán)簇的直徑達(dá)到了令人驚嘆的8納米左右（與現(xiàn)代晶體管結(jié)構(gòu)的尺寸相當(dāng)），質(zhì)量超過170,000個(gè)原子質(zhì)量單位（比大多數(shù)蛋白質(zhì)更重）。

薛定諤貓

長(zhǎng)期以來，物理學(xué)家一直在爭(zhēng)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(shí)驗(yàn)，展示了量子力學(xué)一些常見解讀的荒謬之處。

在那項(xiàng)被稱為“薛定諤貓”的著名思想實(shí)驗(yàn)中，一只貓被放進(jìn)一個(gè)盒子里，盒中還有一瓶毒藥，如果某個(gè)放射性原子發(fā)生衰變，毒藥就會(huì)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(huì)處在“已衰變”和“未衰變”的疊加態(tài)中——如此一來，在進(jìn)行觀測(cè)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(shí)驗(yàn)意在表明，把量子疊加應(yīng)用到宏觀物體是行不通的。一些物理學(xué)家認(rèn)為應(yīng)對(duì)量子力學(xué)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(gè)臨界點(diǎn)，一個(gè)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(xué)家則認(rèn)為量子力學(xué)無需改變，因?yàn)槲矬w與外界之間不受控制的相互作用會(huì)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(huì)使這種效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)上變得難以觀測(cè)。

究竟哪一種觀點(diǎn)更接近事實(shí)？研究人員認(rèn)為，回答這個(gè)問題的唯一辦法，就是把量子實(shí)驗(yàn)“做大”。

新紀(jì)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(gè)原子組成的一束鈉團(tuán)簇。隨后，他們讓這些超冷的鈉團(tuán)簇通過一系列由激光束形成的駐波。這些駐波充當(dāng)了三道衍射光柵，用于產(chǎn)生并探測(cè)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(diǎn)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(dú)特的圖樣發(fā)生干涉；

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

用于探測(cè)納米粒子的物質(zhì)波干涉實(shí)驗(yàn)。（圖/Pedalino et al. / Nature）

研究人員觀測(cè)到了鈉團(tuán)簇的物質(zhì)波干涉。因此，這項(xiàng)研究印證了：在一個(gè)令人驚嘆的巨大尺度上，標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)仍然成立——至少對(duì)那些比單個(gè)原子復(fù)雜得多、也更接近宏觀物體的對(duì)象而言。

在這種尺度上觀測(cè)量子效應(yīng)是很困難的，研究團(tuán)隊(duì)用了兩年時(shí)間才終于能夠看到信號(hào)。他們實(shí)現(xiàn)的疊加態(tài)尺度比先前的紀(jì)錄提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)——這是用一種被稱為“宏觀性”的度量指標(biāo)得出的，這一指標(biāo)度量的是：一個(gè)量子實(shí)驗(yàn)?zāi)芤远鄧?yán)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(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，研究人員實(shí)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果高出大約一個(gè)數(shù)量級(jí)。如果要用電子實(shí)現(xiàn)同樣嚴(yán)格的檢驗(yàn)，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(xué)實(shí)驗(yàn)室里的這些重納米粒子完成同樣嚴(yán)格程度的檢驗(yàn)，只需要大約百分之一秒。

研究人員表示，未來他們還將在實(shí)驗(yàn)中研究更大的物體以及其他類別的材料，預(yù)計(jì)這將帶來對(duì)量子物理更有力的檢驗(yàn)。他們的目標(biāo)是在未來幾年把這一新的紀(jì)錄再提升幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

#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