量子力學(xué)最令人不安的特性之一，是疊加態(tài)，一個(gè)粒子可以同時(shí)處于多個(gè)狀態(tài)，直到被觀測的那一刻才“選擇"其中之一。

這個(gè)特性在電子、光子、原子身上早已被反復(fù)驗(yàn)證。但一塊看得見摸得著的金屬顆粒，也能做到嗎？

維也納大學(xué)的物理學(xué)家用一篇發(fā)表于《自然》雜志的論文回答了這個(gè)問題：可以。

量子與經(jīng)典之間，那條線在哪里

量子力學(xué)有一個(gè)長期困擾物理學(xué)家的根本問題：為什么微觀世界遵守奇異的量子規(guī)則，而我們?nèi)粘？吹降暮暧^物體卻老老實(shí)實(shí)地待在固定位置，按照經(jīng)典物理的軌跡運(yùn)動？

這道界線究竟劃在哪里，至今沒有定論。

一種直覺性的解釋是“退相干"，量子系統(tǒng)與環(huán)境相互作用時(shí)，疊加態(tài)會迅速崩潰，物體越大，與環(huán)境的相互作用越頻繁，退相干越快，量子特性也就越難以保持。但這只是解釋了量子效應(yīng)為何在宏觀尺度上難以觀測，并沒有在原理上設(shè)定一個(gè)量子行為存在的上限邊界。

這正是維也納大學(xué)馬庫斯·阿恩特和斯特凡·格里希團(tuán)隊(duì)正在系統(tǒng)性追問的核心問題。他們的目標(biāo)，是不斷把量子疊加態(tài)實(shí)驗(yàn)推向更大的物體，看看量子力學(xué)究竟在哪里失效，如果它真的會失效的話。

這一次，他們推到了一個(gè)新的尺度。

五千個(gè)原子組成的金屬塊，在空間中"涂抹"開來

維也納大學(xué)的多尺度簇干涉實(shí)驗(yàn)（MUSCLE），檢測到大質(zhì)量納米粒子的量子干涉。圖片來源：S. 佩達(dá)利諾 / 維也納大學(xué)

實(shí)驗(yàn)的主角是鈉金屬納米團(tuán)簇，直徑約8納米，由5000到10000個(gè)鈉原子構(gòu)成，總質(zhì)量超過17萬個(gè)原子質(zhì)量單位，比大多數(shù)蛋白質(zhì)分子都要重。

按照日常直覺，這已經(jīng)是一塊“固體金屬"，應(yīng)該老老實(shí)實(shí)待在一個(gè)確定的位置。

但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，它沒有。

研究團(tuán)隊(duì)搭建了一套名為MUSCLE（多尺度簇干涉實(shí)驗(yàn)）的裝置，讓這些鈉團(tuán)簇穿過由三束紫外激光形成的衍射光柵。第一束激光以約10納米的精度固定粒子的初始位置，同時(shí)將它們置于疊加態(tài)，讓它們在系統(tǒng)中同時(shí)走多條路徑。

當(dāng)這些路徑重新交匯時(shí)，出現(xiàn)了干涉條紋，這是量子疊加的直接證據(jù)。干涉圖樣與量子力學(xué)的理論預(yù)測高度吻合。

這意味著，這些鈉團(tuán)簇在飛行過程中并沒有處于某一個(gè)固定位置，而是以波的形式在空間中彌散分布，實(shí)際占據(jù)的范圍遠(yuǎn)大于粒子本身的物理尺寸。研究團(tuán)隊(duì)用薛定諤貓來類比這種狀態(tài)，這些金屬顆粒在被探測之前，既“在這里"，也“不在這里"。

首席作者、博士生塞巴斯蒂安·佩達(dá)利諾的描述很直接：“直覺上，人們會預(yù)期如此巨大的金屬塊表現(xiàn)得像經(jīng)典粒子。但它仍然產(chǎn)生了干涉，說明量子力學(xué)即使在這個(gè)尺度上依然有效，不需要引入任何替代模型。"

宏觀性指數(shù)十倍躍升，意味著什么

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)意義，還體現(xiàn)在一個(gè)量化指標(biāo)上。

研究人員使用了一個(gè)名為“宏觀性"的概念，由合著者克勞斯·霍恩伯格等人引入，用于衡量不同實(shí)驗(yàn)在測試量子理論時(shí)的力度，使得干涉儀、納米振蕩器、原子鐘等完全不同類型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以放在同一把尺子上比較。

這次實(shí)驗(yàn)獲得的宏觀性指數(shù)達(dá)到15.5，約是此前同類實(shí)驗(yàn)最高紀(jì)錄的十倍。

為了讓這個(gè)數(shù)字更有感覺，研究人員給出了一個(gè)參照：要讓一個(gè)電子達(dá)到相同級別的宏觀性，需要維持量子疊加態(tài)約一億年。而這次實(shí)驗(yàn)中的鈉納米顆粒，在大約百分之一秒內(nèi)就完成了。

這個(gè)對比，既說明了電子有多“輕易"地表現(xiàn)出量子性，也說明了讓宏觀物體維持量子疊加有多困難，以及這次實(shí)驗(yàn)的突破有多真實(shí)。

研究團(tuán)隊(duì)還指出，這套裝置本身也是一個(gè)極其靈敏的力傳感器，目前已能測量低至10的負(fù)26次方牛頓的微弱力。隨著設(shè)備的進(jìn)一步改進(jìn)，這套干涉儀將為精確測量納米顆粒的電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)性質(zhì)提供全新的工具，是現(xiàn)有納米技術(shù)測量手段的有力補(bǔ)充。

量子力學(xué)的邊界還沒有找到。每一次實(shí)驗(yàn)推進(jìn)，都在說明同一件事：這個(gè)世界比我們的直覺所允許的，要奇怪得多。