科学家们成功实现了一项听起来几乎不可能的不可思议的量子实验：他们证明了由数千个原子组成的微小金属粒子可以同时存在于多个地方。利用先进的激光技术，维也纳大学的研究人员在钠纳米粒子中观测到了量子干涉现象，这些粒子的尺度远大于通常表现出此类行为的粒子。这一发现将量子力学拓展至一个新的领域，表明即使是惊人地“大”的物体，依然遵循着量子世界的奇异法则。
这一成就代表了迄今为止在接近宏观世界的尺度上对量子力学最有力的测试之一。
超越微小粒子的量子行为
量子物理学描述了一个物质既可以表现得像粒子又可以表现得像波的世界。科学家们已经利用干涉和双缝实验，在电子、原子和小分子中反复证实了这种不寻常的行为。但在日常生活中，岩石、灰尘或弹珠等普通物体似乎遵循经典物理学的可预测定律，停留在原地并沿着确定的路径移动。
由 Markus Arndt 和 Stefan Gerlich 领导的维也纳研究团队，现已首次将这些量子效应扩展到更大的金属纳米颗粒上。实验中使用的钠团簇直径约为 8 纳米，其尺度与现代晶体管组件相当。每个团簇的质量也超过了 170,000 原子质量单位，使其比大多数蛋白质更重。
即使在这样的尺度下，粒子仍然产生了可测量的量子干涉。
“直觉上，人们会预期这么大的一块金属表现得像经典粒子，”主要作者、博士生 Sebastian Pedalino 说道。“它仍然发生干涉的事实表明，量子力学在这个尺度上仍然有效，并不需要替代模型。”
创造“薛定谔的金属块”
为了进行实验，研究人员制造了包含 5,000 到 10,000 个原子的超冷钠团簇。随后，这些粒子穿过由紫外激光束产生的三个衍射光栅。
第一束激光以约 10 纳米的精度确定了每个团簇的位置，并使粒子进入量子叠加态，这意味着它们可以同时沿着装置中的多条路径行进。当这些可能的路径在实验后期重叠时，它们产生了可检测的条纹干涉图样，这与量子理论的预测相符。
结果表明，粒子在飞行过程中并没有占据一个固定的位置。相反，它们的量子态散布在比粒子本身大数十倍的区域。
物理学家将这些状态描述为薛定谔猫态，引用了奥地利物理学家埃尔温·薛定谔著名的思想实验，即一只猫在被观察之前同时处于死亡和存活状态。在这种情况下，研究人员将金属团簇描述为实际上同时处于“既在这里又不在这里”的状态。
破纪录的量子力学测试
这种近场干涉测量法的理论基础是由 Klaus Hornberger（杜伊斯堡-埃森大学）在过去二十年中建立的，他也是这项新研究的合著者。Hornberger 和 Stefan Nimmrichter（时任维也纳大学）此前引入了宏观性（macroscopicity）的概念，这是一种比较不同实验测试量子力学极限强度的方法。
宏观性允许科学家通过测量实验排除标准量子理论中微小偏差的有效程度，来评估涉及纳米振荡器、原子干涉仪和纳米声学谐振器等系统的实验。
在新实验中，团队达到了 μ = 15.5 的宏观性数值。据研究人员称，这比全球以往的实验大致高出一个数量级。
若要使用电子达到同等的测试精度，科学家需要将电子量子叠加态维持近 1 亿年。而维也纳的金属纳米颗粒仅在约百分之一秒内就达到了这一基准。
未来应用与更大规模的量子实验
除了测试物理学基础外，这项工作还可能帮助研究人员理解为什么量子效应主导微观世界，而日常物体却表现得正常和经典。
团队计划在未来的研究中探索更大的粒子和更多的材料，可能会将这些测试再推进几个数量级。改进的实验基础设施和升级的设备有望实现更灵敏的测量。
维也纳干涉仪还可以作为一个极其精确的力传感器，能够检测小至 10^-26 N 的力。研究人员表示，未来的版本可能会变得更加灵敏，从而为孤立纳米颗粒的电学、磁学和光学性质的高精度测量开辟可能性。这些能力最终可能支持纳米技术和精密传感领域的新进展。
由 Markus Arndt 和 Stefan Gerlich 领导的维也纳大学研究人员与杜伊斯堡-埃森大学的 Klaus Hornberger 合作进行了这项研究。研究结果发表在《自然》（Nature）杂志上。
该实验主要由以下机构资助：
- 戈登与贝蒂·摩尔基金会资助 GMBF10771
- 奥地利科学基金 (FWF)，项目 MUSCLE #32542-N