一块金属同时存在于两个地方：量子叠加态的边界，又被推远了一步

量子力学最令人不安的特性之一，是叠加态，一个粒子可以同时处于多个状态，直到被观测的那一刻才“选择"其中之一。

这个特性在电子、光子、原子身上早已被反复验证。但一块看得见摸得着的金属颗粒，也能做到吗？

维也纳大学的物理学家用一篇发表于《自然》杂志的论文回答了这个问题：可以。

量子与经典之间，那条线在哪里

量子力学有一个长期困扰物理学家的根本问题：为什么微观世界遵守奇异的量子规则，而我们日常看到的宏观物体却老老实实地待在固定位置，按照经典物理的轨迹运动？

这道界线究竟划在哪里，至今没有定论。

一种直觉性的解释是“退相干"，量子系统与环境相互作用时，叠加态会迅速崩溃，物体越大，与环境的相互作用越频繁，退相干越快，量子特性也就越难以保持。但这只是解释了量子效应为何在宏观尺度上难以观测，并没有在原理上设定一个量子行为存在的上限边界。

这正是维也纳大学马库斯·阿恩特和斯特凡·格里希团队正在系统性追问的核心问题。他们的目标，是不断把量子叠加态实验推向更大的物体，看看量子力学究竟在哪里失效，如果它真的会失效的话。

这一次，他们推到了一个新的尺度。

五千个原子组成的金属块，在空间中"涂抹"开来

维也纳大学的多尺度簇干涉实验（MUSCLE），检测到大质量纳米粒子的量子干涉。图片来源：S. 佩达利诺 / 维也纳大学

实验的主角是钠金属纳米团簇，直径约8纳米，由5000到10000个钠原子构成，总质量超过17万个原子质量单位，比大多数蛋白质分子都要重。

按照日常直觉，这已经是一块“固体金属"，应该老老实实待在一个确定的位置。

但实验结果显示，它没有。

研究团队搭建了一套名为MUSCLE（多尺度簇干涉实验）的装置，让这些钠团簇穿过由三束紫外激光形成的衍射光栅。第一束激光以约10纳米的精度固定粒子的初始位置，同时将它们置于叠加态，让它们在系统中同时走多条路径。

当这些路径重新交汇时，出现了干涉条纹，这是量子叠加的直接证据。干涉图样与量子力学的理论预测高度吻合。

这意味着，这些钠团簇在飞行过程中并没有处于某一个固定位置，而是以波的形式在空间中弥散分布，实际占据的范围远大于粒子本身的物理尺寸。研究团队用薛定谔猫来类比这种状态，这些金属颗粒在被探测之前，既“在这里"，也“不在这里"。

首席作者、博士生塞巴斯蒂安·佩达利诺的描述很直接：“直觉上，人们会预期如此巨大的金属块表现得像经典粒子。但它仍然产生了干涉，说明量子力学即使在这个尺度上依然有效，不需要引入任何替代模型。"

宏观性指数十倍跃升，意味着什么

这项实验的技术意义，还体现在一个量化指标上。

研究人员使用了一个名为“宏观性"的概念，由合著者克劳斯·霍恩伯格等人引入，用于衡量不同实验在测试量子理论时的力度，使得干涉仪、纳米振荡器、原子钟等完全不同类型的实验结果可以放在同一把尺子上比较。

这次实验获得的宏观性指数达到15.5，约是此前同类实验最高纪录的十倍。

为了让这个数字更有感觉，研究人员给出了一个参照：要让一个电子达到相同级别的宏观性，需要维持量子叠加态约一亿年。而这次实验中的钠纳米颗粒，在大约百分之一秒内就完成了。

这个对比，既说明了电子有多“轻易"地表现出量子性，也说明了让宏观物体维持量子叠加有多困难，以及这次实验的突破有多真实。

研究团队还指出，这套装置本身也是一个极其灵敏的力传感器，目前已能测量低至10的负26次方牛顿的微弱力。随着设备的进一步改进，这套干涉仪将为精确测量纳米颗粒的电学、磁学和光学性质提供全新的工具，是现有纳米技术测量手段的有力补充。

量子力学的边界还没有找到。每一次实验推进，都在说明同一件事：这个世界比我们的直觉所允许的，要奇怪得多。