2019-09-27 07:16

量子世界与经典世界的边界在哪？

将一粒灰尘放大一千倍，会发现它似乎突然就不再遵循原有的熟悉规则了。例如，它的轮廓可能开始变得非常不清晰，这是因为我们进入了奇异的量子力学领域。

根据量子物理学，量子粒子可以同时存在于不同的地方。它们也可以表现得像波一样，在空间中传播，像池塘表面的水波那样表现出干涉效应；但与水波不同的是，水波是许多相互作用的水分子的集体行为，而量子波可以只与孤立的单个粒子相关。如果用仪器对这些波状的量子物体进行探测，又或者如果这个物体以某种方式与周围的粒子发生了相互作用，它就会失去这种波的特性，表现得像一个粒子。

这种效应已经在光子、电子、中子、原子甚至分子中得到了证实，由此产生了一系列物理学家和哲学家一直试图解决的问题：这些奇怪的量子效应是如何过渡到我们都熟悉的经典世界的？在什么尺度上，量子效应就变得不再适用呢？一个能同时既像粒子又像波一样运动的物体最大能有多大？

这些都是极难回答的问题，因为很难设计出可行的实验来对这些问题进行探讨。而一项新的研究以最直接的方式直面了这些挑战，那就是用质量越来越大的物体来进行干涉实验，观测到了有史以来表现出量子的类波性质的最大物体。实验细节被发表在了最近的《自然物理》期刊上。

新的实验是有史以来对量子叠加原理进行过的最大规模测试。研究人员通过一种特殊的技术合成了一些巨大的分子，它们由将近2000个原子组成，犹如一些蛋白质的大小一般，质量超过了25000个原子质量单位，是之前记录的2.5倍。这些高温、复杂的分子被置于了量子叠加态，以用于进行干涉实验。

○ 实验中使用的大分子的艺术构想图。| 图片来源：Yaakov Fein / 维也纳大学

要证明这些粒子的量子性质，还需要一台具有基线长达两米的物质波干涉仪。在实验中，研究人员将这些分子注入一个长长的管道中，当这些粒子最终击中一个目标时，它们并不只会像是随机散落的点那样，而是会形成一种明暗相间的干涉图样，这表明是波相互碰撞并结合在了一起。

这是一个令人难以置信的结果，因为它的实验设计难度非常高。量子物体是非常脆弱的，它们会通过与环境的相互作用而突然从波的状态过渡为粒子状态。物体越大，就越有可能撞到什么东西，从而触发这种转变。

为了让分子保持波的状态，研究小组为他们清理出了一条狭窄的通道，他们将管道放置在真空中，用弹簧和制动系统来防止整个仪器发生哪怕是最轻微的抖动。然后，物理学家小心翼翼地控制分子的速度，以确保它们的温度不会过热。

在实验中，为了弄清理解量子力学是如何转变成我们通常所能感知到的世界的，研究人员所使用的物体变得越来越大。最终，他们合成了一种化学式为C₇₀₇H₂₆₀F₉₀₈N₁₆S₅₃Zn₄的分子，这是由40000多个质子、中子和电子组成的分子，其德布罗意波长比一个氢原子的直径还要小1000倍，它有着足够坚固的结构，所以它外围的原子不会在发射过程中脱落。它的核心是一种名为卟啉的化合物，可以吸收绿光作为分子马达。

○ 使用绿色激光束推动分子通过干涉仪。| 图片来源：量子纳米物理 / 维也纳大学

研究人员用绿色激光将分子发射到试管中。这些分子吸收了光的能量然后推动它们前进。接着，这些分子通过一系列间隔为几纳米宽的金属栅格。栅格能有效地将一个分子分解成多个朝不同方向运动的波，并最终将它们重新组合成干涉图样。这是著名的双缝实验的一个精心修饰的版本，也是证明物质波动本质的一个里程碑式的实验，它在一个新的质量尺度上证实了量子现象。

研究表明，在给定的时间长度内，重的粒子是可以维持叠加态的，更重的物体处于波状状态的时间会更短。在新的实验中，研究人员发现这些大分子处于叠加状态的时间超过了7毫秒，足以为其他量子模型设定新的干涉极限，这一结果为量子力学的一些替代理论作出了更好的约束。

实验表明，量子力学虽然很奇怪，但也非常强大。未来，研究人员还将继续用更大的质量规模上重复这项实验，比如在病毒、细菌，甚至更大的物体上进行这种干涉实验。量子力学将一个微小的奇异世界植入了我们的世界。通过这些实验，或许我们能找到连接了这两个世界的结合点。

参考链接：

[1] https://medienportal.univie.ac.at/presse/aktuelle-pressemeldungen/detailansicht/artikel/2000-atoms-in-two-places-at-once/

[2] https://www.wired.com/story/even-huge-molecules-follow-the-quantum-worlds-bizarre-rules/

[3] https://www.nature.com/articles/s41567-019-0663-9