量子力學最令人不安的特性之一，是疊加態(tài)，一個粒子可以同時處于多個狀態(tài)，直到被觀測的那一刻才“選擇"其中之一。

這個特性在電子、光子、原子身上早已被反復驗證。但一塊看得見摸得著的金屬顆粒，也能做到嗎？

維也納大學的物理學家用一篇發(fā)表于《自然》雜志的論文回答了這個問題：可以。

量子與經(jīng)典之間，那條線在哪里

量子力學有一個長期困擾物理學家的根本問題：為什么微觀世界遵守奇異的量子規(guī)則，而我們?nèi)粘？吹降暮暧^物體卻老老實實地待在固定位置，按照經(jīng)典物理的軌跡運動？

這道界線究竟劃在哪里，至今沒有定論。

一種直覺性的解釋是“退相干"，量子系統(tǒng)與環(huán)境相互作用時，疊加態(tài)會迅速崩潰，物體越大，與環(huán)境的相互作用越頻繁，退相干越快，量子特性也就越難以保持。但這只是解釋了量子效應(yīng)為何在宏觀尺度上難以觀測，并沒有在原理上設(shè)定一個量子行為存在的上限邊界。

這正是維也納大學馬庫斯·阿恩特和斯特凡·格里希團隊正在系統(tǒng)性追問的核心問題。他們的目標，是不斷把量子疊加態(tài)實驗推向更大的物體，看看量子力學究竟在哪里失效，如果它真的會失效的話。

這一次，他們推到了一個新的尺度。

五千個原子組成的金屬塊，在空間中"涂抹"開來

維也納大學的多尺度簇干涉實驗（MUSCLE），檢測到大質(zhì)量納米粒子的量子干涉。圖片來源：S. 佩達利諾 / 維也納大學

實驗的主角是鈉金屬納米團簇，直徑約8納米，由5000到10000個鈉原子構(gòu)成，總質(zhì)量超過17萬個原子質(zhì)量單位，比大多數(shù)蛋白質(zhì)分子都要重。

按照日常直覺，這已經(jīng)是一塊“固體金屬"，應(yīng)該老老實實待在一個確定的位置。

但實驗結(jié)果顯示，它沒有。

研究團隊搭建了一套名為MUSCLE（多尺度簇干涉實驗）的裝置，讓這些鈉團簇穿過由三束紫外激光形成的衍射光柵。第一束激光以約10納米的精度固定粒子的初始位置，同時將它們置于疊加態(tài)，讓它們在系統(tǒng)中同時走多條路徑。

當這些路徑重新交匯時，出現(xiàn)了干涉條紋，這是量子疊加的直接證據(jù)。干涉圖樣與量子力學的理論預測高度吻合。

這意味著，這些鈉團簇在飛行過程中并沒有處于某一個固定位置，而是以波的形式在空間中彌散分布，實際占據(jù)的范圍遠大于粒子本身的物理尺寸。研究團隊用薛定諤貓來類比這種狀態(tài)，這些金屬顆粒在被探測之前，既“在這里"，也“不在這里"。

首席作者、博士生塞巴斯蒂安·佩達利諾的描述很直接：“直覺上，人們會預期如此巨大的金屬塊表現(xiàn)得像經(jīng)典粒子。但它仍然產(chǎn)生了干涉，說明量子力學即使在這個尺度上依然有效，不需要引入任何替代模型。"

宏觀性指數(shù)十倍躍升，意味著什么

這項實驗的技術(shù)意義，還體現(xiàn)在一個量化指標上。

研究人員使用了一個名為“宏觀性"的概念，由合著者克勞斯·霍恩伯格等人引入，用于衡量不同實驗在測試量子理論時的力度，使得干涉儀、納米振蕩器、原子鐘等完全不同類型的實驗結(jié)果可以放在同一把尺子上比較。

這次實驗獲得的宏觀性指數(shù)達到15.5，約是此前同類實驗最高紀錄的十倍。

為了讓這個數(shù)字更有感覺，研究人員給出了一個參照：要讓一個電子達到相同級別的宏觀性，需要維持量子疊加態(tài)約一億年。而這次實驗中的鈉納米顆粒，在大約百分之一秒內(nèi)就完成了。

這個對比，既說明了電子有多“輕易"地表現(xiàn)出量子性，也說明了讓宏觀物體維持量子疊加有多困難，以及這次實驗的突破有多真實。

研究團隊還指出，這套裝置本身也是一個極其靈敏的力傳感器，目前已能測量低至10的負26次方牛頓的微弱力。隨著設(shè)備的進一步改進，這套干涉儀將為精確測量納米顆粒的電學、磁學和光學性質(zhì)提供全新的工具，是現(xiàn)有納米技術(shù)測量手段的有力補充。

量子力學的邊界還沒有找到。每一次實驗推進，都在說明同一件事：這個世界比我們的直覺所允許的，要奇怪得多。