從微觀到宏觀

在量子力學中，光和物質都能同時表現出粒子性與波動性。“波粒二象性”的一個引人注目的結果是：有質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的干涉一樣。過去，科學家已經在電子、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，這種現象仍被視為是反直覺的，因為在我們日常生活所處的宏觀尺度上，我們并不會觀察到這種現象：彈珠、石頭和塵埃顆粒都有明確的位置和可預測的軌跡——它們遵循經典物理學的規律。因此，一個有趣的問題是：當研究對象變得更大、更復雜時，量子性質會如何持續存在或發生改變？多年來，科學家已經用一系列質量與復雜性都不斷增加的物體進行了相關探索。

現在，在一項新發表于《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千個鈉原子構成的質量很大的納米粒子的量子干涉，首次證明了物質的波動性在質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（與現代晶體管結構的尺寸相當），質量超過170,000個原子質量單位（比大多數蛋白質更重）。

薛定諤貓

長期以來，物理學家一直在爭論：經典的日常世界究竟如何從其底層的量子世界中浮現出來。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。

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”。根據這些理論，一旦超過某個臨界點，一個系統即使處于孤立狀態，也將不可避免地約化為經典態。

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波干涉的顯現。根據這種思路，從原則上講，波粒二象性可以適用于任何有質量的物體；但隨著物體質量增加，環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，用于產生并探測納米粒子物質波的干涉：

• 第一道光柵做了兩件事：只讓納米粒子在駐波的節點處通過，從而讓產生的物質波“步調一致”——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生干涉；

• 第三道光柵用于統計不同位置的粒子數，進而解析出干涉條紋。

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

研究人員觀測到了鈉團簇的物質波干涉。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。他們實現的疊加態尺度比先前的紀錄提升了一個數量級——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，研究人員實現了宏觀性μ = 15.5的數值。 這比迄今為止全球所有其他實驗的結果高出大約一個數量級。如果要用電子實現同樣嚴格的檢驗，就必須讓電子的量子疊加態維持大約一億年。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