物理学家将数千个原子推向"薛定谔的猫"态——将量子世界拉近现实

研究人员证实，一个由7000个钠原子组成的纳米颗粒可以表现出波动性，创造了叠加态的新纪录。

物理学家已将数千个原子置于"薛定谔的猫"态——打破了在量子态下被观测到的最宏观物体的纪录。在一项新研究中，研究人员观测到由7000个钠原子组成的纳米颗粒作为一个整体波进行运动，将奇异的量子力学世界推向了新边界。基于此项研究，未来的实验或许最终能将生物分子置于量子态，从而开辟研究其物理特性的新途径。

实验中，研究团队产生了一束钠纳米颗粒流，并将其射向一个狭窄狭缝。他们发表于1月21日《自然》期刊的研究结果显示，钠纳米颗粒在穿过狭缝后扩散并产生了干涉图样，表现出了被称为"波粒二象性"的奇异量子行为。这些钠纳米颗粒现已共同创下了在量子叠加态中被观测到的最宏观物体的纪录。

"通常人们想到量子力学时，会把它与微小的事物联系起来，比如光子或电子。"该研究的主要作者、维也纳大学物理学家塞巴斯蒂安·佩达利诺告诉《生活科学》杂志，"但量子力学本身并未设定任何界限。这正是我们在验证的。"

既在此处，又在彼处

在量子领域，粒子可以既在此处又在彼处。这种奇异现象被称为量子叠加。

量子物理学家埃尔温·薛定谔曾用"薛定谔的猫"来比喻：将一只猫与一瓶毒药放入密封盒子，毒药瓶的释放机关连接着一个放射性源，该源的衰变会触发机关。这意味着盒子密封后，猫可能在任何时刻死去。这使猫处于既死又活的叠加态。只有打开盒子观察猫时，叠加态才会坍缩，猫的状态才会被确定为要么死亡，要么存活。

令人难以置信的是，这正是微观粒子在量子尺度上的行为方式：在被观测前，它们同时处于多个位置，并同时表现出粒子性和波动性。

这个奇异世界引发了一个问题：量子世界与我们日常观察到的世界之间的边界在哪里？粒子从何时开始表现出波动性？

我们之所以没有在日常生活中处处看到量子叠加现象，是因为一个称为"退相干"的过程。如果处于量子叠加态的物体与其环境发生相互作用，它就会退相干，不再同时处于此处和彼处；相反，它会被"固定"在一个确定位置。宏观物体持续与环境相互作用，因此无法维持量子叠加态。因此，试图观测更大粒子表现出波动性的真正挑战在于将其隔离，使其能保持相干的量子叠加态。

探寻干涉

在这项新研究中，佩达利诺尝试观测钠大纳米颗粒处于量子叠加态。为此，他和团队将几克钠转化为纳米颗粒束，然后将其射向一个狭窄狭缝。

如果钠纳米颗粒处于量子叠加态，这意味着它穿过狭缝后会像波一样扩散，从而产生干涉图样。然而，如果它退相干并开始表现得像经典粒子，钠颗粒会笔直穿过狭缝，团队只会观测到一条平直线。

"整整两年，我看到的都是平直线，"佩达利诺说，"我们试图看到干涉图样，但结果总是平直线。最终，平直线实际上没有帮助，因为它无法给出结论。"

终于，他们在探测器上一直看到的那条单一线条变宽，变成了明确无误的干涉图样——这意味着钠纳米颗粒同时表现出粒子性和波动性。

"那一刻简直难以置信，"佩达利诺回忆道，"当时已是深夜，我打电话给我的教授。他回到实验室，我们一直测量到凌晨三点，直到钠样品耗尽。"

研究团队计算出这些钠纳米颗粒的"宏观性"（一种描述量子物体向经典世界延伸程度的物理量）为15.5，将之前的宏观性纪录提高了一个数量级。

这项发现为未来的实验打开了大门，科学家有望在量子叠加态下观测病毒或蛋白质等生物材料。该实验代表了一个重大进步，使这种奇异的量子现象离现实世界前所未有地接近。

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