7000个钠原子“既死又活”：科学家造出史上最大“薛定谔的猫”

未来科学家有望观察到病毒或蛋白质，甚至是更加宏观生物材料的量子行为。

物理学家近日成功地用7000个钠原子制造出了一只“薛定谔的猫”——该实验创造了可观测最大宏观量子物体的新纪录。

研究人员在这些纳米粒子身上观测到了连续的波动性，将奇异量子世界所能拥有的宏观性提高到了新尺度。该研究还使人们未来观察到量子态的生物材料成为可能。

研究人员在实验中将一个包含至少7000个原子的钠纳米团簇射向一条狭窄的缝隙。这些粒子被扩散后形成了干涉图样，展现出了波粒二象性。这些粒子于是成了有史以来显示出量子叠加态的最大、最复杂的物体。

在量子世界里，粒子可以同时出现在两个地方。这一奇异的特性被称为叠加态（superposition）。物理学家薛定谔在解释叠加态时，将其比喻为一只关在盒子里的猫——关猫的盒子里还有一瓶毒药，当放射源衰变时毒药会被释放，猫随时有可能死亡，于是我们可以认为在打开盒子前，这只猫处于叠加态——它既是死的又是活的——只有当盒子被打开，人们看到猫时，叠加态才会坍缩，猫的死活才会确定。

叠加态一般仅存在于微观量子世界的粒子身上。在粒子被观测到之前，它同时处于不同的位置上，同时是粒子和波。但科学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，粒子开始具有量子特性？在什么尺度以上，物质不再具有量子特性？

我们无法在日常生活中体验到叠加态，主要是因为存在所谓的“退相干（decoherence）”。量子物体可通过“相干（coherence）”进入叠加态，而处于叠加态的量子物体一旦与环境发生相互作用，就会“退相干”；而一旦退相干发生，粒子的位置会被确定下来。

宏观物体时刻都在与环境相互作用，因此无法维持叠加态。要想在较大尺度上继续维持粒子的叠加态，就需要将它们隔离，而这正是难点之所在。

以维也纳大学Sebastian Pedalino为首的这批科学家在实验中将几克的钠转化成了一条纳米粒子束，然后将其对准缝隙。如果这些粒子处于叠加态，那么它们在通过缝隙后就会像波一样扩散，产生干涉图样；反之，它就会因为退相干而仅表现出粒子特性——钠纳米粒子束会笔直地穿越这条缝隙。

研究人员称，他们研究中起初看到的一直是一条笔直的线，表明粒子束因为退相干而失去了波动性。但最终这条线变宽了，形成了明显的干涉图样，表明粒子束在穿越缝隙后依然保留着波动性。

实验表明，对于如此宏观的物体，其质心位置也能用量子力学波函数描述，并在空间中脱域化超过其自身直径一个数量级的距离（133纳米）。这相当于一个纳米尺度的金属颗粒同时存在于两个地方，是一种叠加态的体现。

实验结果还显示，这些处于叠加态的钠纳米粒子宏观性度量值为15.5，比之前的量子实验记录14.5高出了一个数量级。证明标准量子力学在如此宏观的质量尺度上依然成立。有力地证实了量子叠加原理并不会因为物体质量或尺寸的增大而失效。

该实验的成功还表明，奇异的量子现象离现实又近了一步。未来科学家有望观察到病毒或蛋白质，甚至是更加宏观生物材料的量子行为。

参考

Probing quantum mechanics with nanoparticle matter-wave interferometry

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

Physicists push thousands of atoms to a 'Schrödinger'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