从微观到宏观

在量子力学中，光和物质都能同时表现出粒子性与波动性。“波粒二象性”的一个引人注目的结果是：有质量的粒子能够形成干涉图样，就像水波或光波相互叠加时所出现的干涉一样。过去，科学家已经在电子、中子、原子以及小分子等微观粒子上，通过双缝衍射或干涉实验多次证明了这一点。

然而，这种现象仍被视为是反直觉的，因为在我们日常生活所处的宏观尺度上，我们并不会观察到这种现象：弹珠、石头和尘埃颗粒都有明确的位置和可预测的轨迹——它们遵循经典物理学的规律。因此，一个有趣的问题是：当研究对象变得更大、更复杂时，量子性质会如何持续存在或发生改变？多年来，科学家已经用一系列质量与复杂性都不断增加的物体进行了相关探索。

现在，在一项新发表于《自然》杂志的研究中，来自维也纳大学的物理学家团队探测到了由数千个钠原子构成的质量很大的纳米粒子的量子干涉，首次证明了物质的波动性在质量很大的金属纳米粒子中同样能够保持——即便这些粒子团簇的直径达到了令人惊叹的8纳米左右（与现代晶体管结构的尺寸相当），质量超过 170,000个原子质量单位（比大多数蛋白质更重）。

薛定谔猫

长期以来，物理学家一直在争论：经典的日常世界究竟如何从其底层的量子世界中浮现出来。1935年， 薛定谔（Erwin Schrödinger）通过他的“猫”思想实验，展示了量子力学一些常见解读的荒谬之处。

在那项被称为“薛定谔猫”的著名思想实验中，一只猫被放进一个盒子里，盒中还有一瓶毒药，如果某个放射性原子发生衰变，毒药就会被释放出来。如果盒子始终与外界隔离，那么放射性原子就会处在“已衰变”和“未衰变”的 叠加态中——如此一来，在进行观测之前，这只猫就处在一种“ 既死又活”的未定状态。

薛定谔的这一思想实验意在表明，把量子叠加应用到宏观物体是行不通的。一些物理学家认为应对量子力学作出修正，于是提出了“坍缩理论”。根据这些理论，一旦超过某个临界点，一个系统即使处于孤立状态，也将不可避免地约化为经典态。

另一些物理学家则认为量子力学无需改变，因为物体与外界之间不受控制的相互作用会阻止物质波干涉的显现。根据这种思路，从原则上讲，波粒二象性可以适用于任何有质量的物体；但随着物体质量增加，环境相互作用会使这种效应在实验上变得难以观测。

究竟哪一种观点更接近事实？研究人员认为，回答这个问题的唯一办法，就是把量子实验“做大”。

新纪录

在新的研究中，研究人员在77开尔文的低温下，在高真空中制备出了由5,000~10,000个原子组成的一束钠团簇。随后，他们让这些超冷的钠团簇通过一系列由 激光束形成的驻波。这些驻波充当了三道 衍射光栅，用于产生并探测纳米粒子物质波的干涉：

• 第一道光栅做了两件事：只让纳米粒子在驻波的节点处通过，从而让产生的物质波“步调一致”——即彼此相干；

• 随后它们通过第二道光栅，使这些波以一种独特的图样发生干涉；

• 第三道光栅用于统计不同位置的粒子数，进而解析出干涉条纹。

用于探测纳米粒子的物质波干涉实验。（图/Pedalino et al. / Nature）

研究人员观测到了钠团簇的物质波干涉。因此，这项研究印证了：在一个令人惊叹的巨大尺度上， 标准量子力学仍然成立——至少对那些比单个原子复杂得多、也更接近宏观物体的对象而言。

在这种尺度上观测量子效应是很困难的，研究团队用了两年时间才终于能够看到信号。他们实现的叠加态尺度比先前的纪录提升了一个数量级——这是用一种被称为“宏观性”的度量指标得出的，这一指标度量的是：一个量子实验能以多严格的程度，排除哪怕最微小的、偏离量子理论的可能性。

在这项实验中，研究人员实现了宏观性μ = 15.5的数值。 这比迄今为止全球所有其他实验的结果高出大约一个数量级。如果要用电子实现同样严格的检验，就必须让电子的量子叠加态维持大约一亿年。而维也纳大学实验室里的这些重纳米粒子完成同样严格程度的检验，只需要大约百分之一秒。

研究人员表示，未来他们还将在实验中研究更大的物体以及其他类别的材料，预计这将带来对量子物理更有力的检验。他们的目标是在未来几年把这一新的纪录再提升几个数量级。

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封面图&首图：S. Pedalino / Uni Wien

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