7000個(gè)鈉原子“既死又活”：科學(xué)家造出史上最大“薛定諤的貓”

未來(lái)科學(xué)家有望觀察到病毒或蛋白質(zhì)，甚至是更加宏觀生物材料的量子行為。

物理學(xué)家近日成功地用7000個(gè)鈉原子制造出了一只“薛定諤的貓”——該實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了可觀測(cè)最大宏觀量子物體的新紀(jì)錄。

研究人員在這些納米粒子身上觀測(cè)到了連續(xù)的波動(dòng)性，將奇異量子世界所能擁有的宏觀性提高到了新尺度。該研究還使人們未來(lái)觀察到量子態(tài)的生物材料成為可能。

研究人員在實(shí)驗(yàn)中將一個(gè)包含至少7000個(gè)原子的鈉納米團(tuán)簇射向一條狹窄的縫隙。這些粒子被擴(kuò)散后形成了干涉圖樣，展現(xiàn)出了波粒二象性。這些粒子于是成了有史以來(lái)顯示出量子疊加態(tài)的最大、最復(fù)雜的物體。

在量子世界里，粒子可以同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)地方。這一奇異的特性被稱(chēng)為疊加態(tài)（superposition）。物理學(xué)家薛定諤在解釋疊加態(tài)時(shí)，將其比喻為一只關(guān)在盒子里的貓——關(guān)貓的盒子里還有一瓶毒藥，當(dāng)放射源衰變時(shí)毒藥會(huì)被釋放，貓隨時(shí)有可能死亡，于是我們可以認(rèn)為在打開(kāi)盒子前，這只貓?zhí)幱诏B加態(tài)——它既是死的又是活的——只有當(dāng)盒子被打開(kāi)，人們看到貓時(shí)，疊加態(tài)才會(huì)坍縮，貓的死活才會(huì)確定。

疊加態(tài)一般僅存在于微觀量子世界的粒子身上。在粒子被觀測(cè)到之前，它同時(shí)處于不同的位置上，同時(shí)是粒子和波。但科學(xué)家一直在探索量子世界和日常世界的界限。在什么尺度以下，粒子開(kāi)始具有量子特性？在什么尺度以上，物質(zhì)不再具有量子特性？

我們無(wú)法在日常生活中體驗(yàn)到疊加態(tài)，主要是因?yàn)榇嬖谒^的“退相干（decoherence）”。量子物體可通過(guò)“相干（coherence）”進(jìn)入疊加態(tài)，而處于疊加態(tài)的量子物體一旦與環(huán)境發(fā)生相互作用，就會(huì)“退相干”；而一旦退相干發(fā)生，粒子的位置會(huì)被確定下來(lái)。

宏觀物體時(shí)刻都在與環(huán)境相互作用，因此無(wú)法維持疊加態(tài)。要想在較大尺度上繼續(xù)維持粒子的疊加態(tài)，就需要將它們隔離，而這正是難點(diǎn)之所在。

以維也納大學(xué)Sebastian Pedalino為首的這批科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)中將幾克的鈉轉(zhuǎn)化成了一條納米粒子束，然后將其對(duì)準(zhǔn)縫隙。如果這些粒子處于疊加態(tài)，那么它們?cè)谕ㄟ^(guò)縫隙后就會(huì)像波一樣擴(kuò)散，產(chǎn)生干涉圖樣；反之，它就會(huì)因?yàn)橥讼喔啥鴥H表現(xiàn)出粒子特性——鈉納米粒子束會(huì)筆直地穿越這條縫隙。

研究人員稱(chēng)，他們研究中起初看到的一直是一條筆直的線(xiàn)，表明粒子束因?yàn)橥讼喔啥チ瞬▌?dòng)性。但最終這條線(xiàn)變寬了，形成了明顯的干涉圖樣，表明粒子束在穿越縫隙后依然保留著波動(dòng)性。

實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于如此宏觀的物體，其質(zhì)心位置也能用量子力學(xué)波函數(shù)描述，并在空間中脫域化超過(guò)其自身直徑一個(gè)數(shù)量級(jí)的距離（133納米）。這相當(dāng)于一個(gè)納米尺度的金屬顆粒同時(shí)存在于兩個(gè)地方，是一種疊加態(tài)的體現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果還顯示，這些處于疊加態(tài)的鈉納米粒子宏觀性度量值為15.5，比之前的量子實(shí)驗(yàn)記錄14.5高出了一個(gè)數(shù)量級(jí)。證明標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)在如此宏觀的質(zhì)量尺度上依然成立。有力地證實(shí)了量子疊加原理并不會(huì)因?yàn)槲矬w質(zhì)量或尺寸的增大而失效。

該實(shí)驗(yàn)的成功還表明，奇異的量子現(xiàn)象離現(xiàn)實(shí)又近了一步。未來(lái)科學(xué)家有望觀察到病毒或蛋白質(zhì)，甚至是更加宏觀生物材料的量子行為。

參考

Probing quantum mechanics with nanoparticle matter-wave interferometry

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09917-9

Physicists push thousands of atoms to a 'Schr?dinger's cat' state — bringing the quantum world closer to reality than ever before

https://www.livescience.com/physics-mathematics/quantum-physics/physicists-push-thousands-of-atoms-to-a-schrodingers-cat-state-bringing-the-quantum-world-closer-to-reality-than-ever-before