未來科學家有望觀察到病毒或蛋白質(zhì),甚至是更加宏觀生物材料的量子行為。
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物理學家近日成功地用7000個鈉原子制造出了一只“薛定諤的貓”——該實驗創(chuàng)造了可觀測最大宏觀量子物體的新紀錄。
研究人員在這些納米粒子身上觀測到了連續(xù)的波動性,將奇異量子世界所能擁有的宏觀性提高到了新尺度。該研究還使人們未來觀察到量子態(tài)的生物材料成為可能。
研究人員在實驗中將一個包含至少7000個原子的鈉納米團簇射向一條狹窄的縫隙。這些粒子被擴散后形成了干涉圖樣,展現(xiàn)出了波粒二象性。這些粒子于是成了有史以來顯示出量子疊加態(tài)的最大、最復雜的物體。
在量子世界里,粒子可以同時出現(xiàn)在兩個地方。這一奇異的特性被稱為疊加態(tài)(superposition)。物理學家薛定諤在解釋疊加態(tài)時,將其比喻為一只關(guān)在盒子里的貓——關(guān)貓的盒子里還有一瓶毒藥,當放射源衰變時毒藥會被釋放,貓隨時有可能死亡,于是我們可以認為在打開盒子前,這只貓?zhí)幱诏B加態(tài)——它既是死的又是活的——只有當盒子被打開,人們看到貓時,疊加態(tài)才會坍縮,貓的死活才會確定。
疊加態(tài)一般僅存在于微觀量子世界的粒子身上。在粒子被觀測到之前,它同時處于不同的位置上,同時是粒子和波。但科學家一直在探索量子世界和日常世界的界限。在什么尺度以下,粒子開始具有量子特性?在什么尺度以上,物質(zhì)不再具有量子特性?
我們無法在日常生活中體驗到疊加態(tài),主要是因為存在所謂的“退相干(decoherence)”。量子物體可通過“相干(coherence)”進入疊加態(tài),而處于疊加態(tài)的量子物體一旦與環(huán)境發(fā)生相互作用,就會“退相干”;而一旦退相干發(fā)生,粒子的位置會被確定下來。
宏觀物體時刻都在與環(huán)境相互作用,因此無法維持疊加態(tài)。要想在較大尺度上繼續(xù)維持粒子的疊加態(tài),就需要將它們隔離,而這正是難點之所在。
以維也納大學Sebastian Pedalino為首的這批科學家在實驗中將幾克的鈉轉(zhuǎn)化成了一條納米粒子束,然后將其對準縫隙。如果這些粒子處于疊加態(tài),那么它們在通過縫隙后就會像波一樣擴散,產(chǎn)生干涉圖樣;反之,它就會因為退相干而僅表現(xiàn)出粒子特性——鈉納米粒子束會筆直地穿越這條縫隙。
研究人員稱,他們研究中起初看到的一直是一條筆直的線,表明粒子束因為退相干而失去了波動性。但最終這條線變寬了,形成了明顯的干涉圖樣,表明粒子束在穿越縫隙后依然保留著波動性。
實驗表明,對于如此宏觀的物體,其質(zhì)心位置也能用量子力學波函數(shù)描述,并在空間中脫域化超過其自身直徑一個數(shù)量級的距離(133納米)。這相當于一個納米尺度的金屬顆粒同時存在于兩個地方,是一種疊加態(tài)的體現(xiàn)。
實驗結(jié)果還顯示,這些處于疊加態(tài)的鈉納米粒子宏觀性度量值為15.5,比之前的量子實驗記錄14.5高出了一個數(shù)量級。證明標準量子力學在如此宏觀的質(zhì)量尺度上依然成立。有力地證實了量子疊加原理并不會因為物體質(zhì)量或尺寸的增大而失效。
該實驗的成功還表明,奇異的量子現(xiàn)象離現(xiàn)實又近了一步。未來科學家有望觀察到病毒或蛋白質(zhì),甚至是更加宏觀生物材料的量子行為。
參考
Probing quantum mechanics with nanoparticle matter-wave interferometry
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09917-9
Physicists push thousands of atoms to a 'Schr?dinger's cat' state — bringing the quantum world closer to reality than ever before
https://www.livescience.com/physics-mathematics/quantum-physics/physicists-push-thousands-of-atoms-to-a-schrodingers-cat-state-bringing-the-quantum-world-closer-to-reality-than-ever-before
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