7000個鈉原子“既死又活”：科學家造出史上最大“薛定諤的貓”

未來科學家有望觀察到病毒或蛋白質，甚至是更加宏觀生物材料的量子行為。

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的最大、最復雜的物體。

在量子世界里，粒子可以同時出現在兩個地方。這一奇異的特性被稱為疊加態（superposition）。物理學家薛定諤在解釋疊加態時，將其比喻為一只關在盒子里的貓——關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，這只貓處于疊加態——它既是死的又是活的——只有當盒子被打開，人們看到貓時，疊加態才會坍縮，貓的死活才會確定。

疊加態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，物質不再具有量子特性？

我們無法在日常生活中體驗到疊加態，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，而處于疊加態的量子物體一旦與環境發生相互作用，就會“退相干”；而一旦退相干發生，粒子的位置會被確定下來。

宏觀物體時刻都在與環境相互作用，因此無法維持疊加態。要想在較大尺度上繼續維持粒子的疊加態，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，那么它們在通過縫隙后就會像波一樣擴散，產生干涉圖樣；反之，它就會因為退相干而僅表現出粒子特性——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，其質心位置也能用量子力學波函數描述，并在空間中脫域化超過其自身直徑一個數量級的距離（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，是一種疊加態的體現。

實驗結果還顯示，這些處于疊加態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高出了一個數量級。證明標準量子力學在如此宏觀的質量尺度上依然成立。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，奇異的量子現象離現實又近了一步。未來科學家有望觀察到病毒或蛋白質，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