許久之前，我們就已經(jīng)觀察到諸多粒子存在疊加、糾纏等量子效應(yīng)，但物理學(xué)家正在探索物體的尺寸大到何種尺度后便會(huì)失去量子性。

編譯

失，疊加態(tài)就會(huì)坍縮一物體越大就越有可能屈服于確定性。

然而，在過去的幾年里，科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Υ蠓M(jìn)步，不只能把像簡(jiǎn)單粒子這樣的微小物體置于疊加態(tài)，甚至能把意想不到的大物件也置于疊加狀態(tài)，其中包括藍(lán)寶石晶體。隨著量子效應(yīng)出現(xiàn)的尺度越來越大，那個(gè)謎團(tuán)也愈發(fā)撲朔迷離：在量子世界的微小尺度上占據(jù)主導(dǎo)地位的這些怪異量子現(xiàn)象是否存在適用的尺度上限？

這的的地方頓大學(xué)的一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)室，負(fù)責(zé)人是亨德里克·烏布利希（HendrikUlbricht）。為了消除所有可能出現(xiàn)的干擾，研究人員付出了難以想象的巨大努力：一塊重達(dá)一噸的花崗巖板吸收了除了最輕微的震顫之外的幾乎所有振動(dòng)，同時(shí)，一座由引力波探測(cè)器改造而來的鐘擺負(fù)責(zé)捕捉那些殘存的擺動(dòng)，一臺(tái)冰箱則將外部空間最深處的溫度冷卻到了誤差范圍極小的程度。這一切努力都是為了一個(gè)渺茫的希望：回答一個(gè)自一個(gè)世紀(jì)前量子力學(xué)誕生以來便一直困擾著物理學(xué)家的問題。

目前，全世界的科學(xué)家都在做實(shí)驗(yàn)尋找這個(gè)邊界。實(shí)驗(yàn)結(jié)果有可能填補(bǔ)量子力學(xué)創(chuàng)造者留下的理論空白，或許還有助于我們?cè)诹孔恿W(xué)建立100多年后重新定義這一重大物理理論的意義。

在微觀量子領(lǐng)域，現(xiàn)實(shí)的工作方式似乎與我們熟悉的日常世界（堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定、可以預(yù)測(cè)）迥然不同。在量子世界中，原本涇渭分明的邊界互相交融，物質(zhì)實(shí)體可以在沒有物理接觸的前提下就深度糾纏在一起。處于疊加態(tài)的量子物體似乎可以同時(shí)存在于多個(gè)位置一至少，如果我們不直接觀察它們的話是這樣。不過，只要稍有擾動(dòng)，糾纏就會(huì)消

烏布利希評(píng)論埃爾溫·薛定諤（ErwinSchrodinger）在1926年提出的量子力學(xué)柱石薛定諤方程時(shí)說：“這個(gè)方程最初的版本沒有任何質(zhì)量限制。也就是說，你可以把它應(yīng)用到任何大小、任何質(zhì)量的物體上。沒有任何限制。你唯一需要解決的技術(shù)挑戰(zhàn)是必須把系統(tǒng)同環(huán)境隔絕開來從根本上說，沒有任何其他因素會(huì)制約你不斷把量子效應(yīng)應(yīng)用到更大尺度上。”

多大就太大了？

讓我們從單個(gè)粒子開始討論，就比如光子，你肯定能觀察到量子效應(yīng)。這類與光相關(guān)的粒子彼此間可以相互糾纏。當(dāng)兩個(gè)光子發(fā)生糾纏之后，其中一個(gè)發(fā)生的任何變化都可以在另一個(gè)粒子上顯現(xiàn)。從著名的雙縫實(shí)驗(yàn)中，我們知道光子具有波粒二象性，也即可以同時(shí)表現(xiàn)出粒子性和波動(dòng)性。雙縫實(shí)驗(yàn)的流程很簡(jiǎn)單，第一步是把一束光打在有兩個(gè)狹縫的光屏上。如果光僅僅只是粒子，那我們就會(huì)看到光穿過光屏后形成兩條光帶，但事實(shí)是，穿過光屏后的光產(chǎn)生了明暗相間的條紋圖樣。于是，我們便知道了光子受量子規(guī)則約束。另外，在某些情況下，多達(dá)5個(gè)甚至10個(gè)粒子也能產(chǎn)生像疊加這樣的量子效應(yīng)，但500個(gè)粒子可以嗎？5億個(gè)呢？

英國貝爾法斯特女王大學(xué)的莫羅·帕特諾斯特羅（MauroPaternostro）說:“到目前為止，量子力學(xué)是人類描述自然最成功的數(shù)學(xué)框架，但從形式上看，它似乎完全不限于微觀尺度?！?/p>

實(shí)際上，事實(shí)證明，檢驗(yàn)量子效應(yīng)的適用尺度是否存在某個(gè)閾值以及這個(gè)閾值具體如何（如果確實(shí)存在的話）是個(gè)極為艱巨的任務(wù)。雖然量子世界本身可能確實(shí)變幻莫測(cè)，但它很容易通過一種被稱為“退相干”的效應(yīng)坍縮成某種更具體、更經(jīng)典的事物。舉例來說，只要以某種方式讓某個(gè)系統(tǒng)外的粒子觸碰量子物體，后者的怪異量子特性就會(huì)消失。

為了找出其中的原因，物理學(xué)家首先需要確定量子坍縮是否僅僅由環(huán)境干擾引起，還是有某種更為深層的因素在發(fā)揮作用。烏布利希說：“我們必須在極為特殊的條件下做這類極端實(shí)驗(yàn)，只有這樣才能摒除環(huán)境因素的影響，檢驗(yàn)是否存在更為基本的效應(yīng)。”

如果有什么更為怪異的東西破壞了我們?cè)谛〕叨壬峡吹降牧孔犹匦?，這種東西可能與引力同量子力學(xué)的相互作用方式或是暗物質(zhì)塑造量子世界的路徑有關(guān)。另外，這種東西也可能來自量子真空本身一壽命極其短暫的粒子突然出現(xiàn)，然后又突然消失，但它們存在的這點(diǎn)時(shí)間已經(jīng)足以撼動(dòng)一切。

我們有充分的理由懷疑，這類極端實(shí)驗(yàn)是否存在終點(diǎn)，還是只是一段無限探索之旅中的一部分，只有當(dāng)物理定律告訴我們不能再走下去時(shí)探索才會(huì)結(jié)束。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，我們生活在量子世界中，所以量子效應(yīng)應(yīng)該無處不在。

不過，這類實(shí)驗(yàn)確實(shí)有自己的目標(biāo)。從20世紀(jì)80年代開始，物理學(xué)家就開始提出各種理論解釋在沒有環(huán)境因素驅(qū)動(dòng)的情況下量子態(tài)為何及何時(shí)坍縮（也即“波函數(shù)坍縮”）。這些理論統(tǒng)稱為自發(fā)坍縮模型。奧地利維也納大學(xué)的馬庫斯·阿恩特（MarkusArndt）說，雖然這些理論的基礎(chǔ)并不是對(duì)自發(fā)坍縮現(xiàn)象的任何觀測(cè)結(jié)果（因?yàn)槲覀兡壳斑€完全沒有觀測(cè)到這個(gè)現(xiàn)象），但自發(fā)坍縮模型確實(shí)可以預(yù)測(cè)自發(fā)坍縮發(fā)生的具體時(shí)間。

舉個(gè)例子，自發(fā)坍縮模型中的先行者，也是研究最為廣泛的一大理論吉拉爾迪-里米尼－韋伯模型（GRW模型）認(rèn)為，直徑在1微米左右的粒子仍應(yīng)該會(huì)發(fā)生坍縮。然而，在很長一段時(shí)間內(nèi)，試圖捕捉自發(fā)坍縮現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)都是在遠(yuǎn)低于GRW模型預(yù)測(cè)的尺度上測(cè)量量子效應(yīng)。最近這些年，情況有了變化，技術(shù)進(jìn)步意味著包括烏布利希和阿恩特在內(nèi)的諸多相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)都開始進(jìn)入未知領(lǐng)域。

意大利的里斯雅特大學(xué)的安杰洛·巴錫（AngeloBassi）說：“坍縮模型引導(dǎo)你尋找最有效的實(shí)驗(yàn)，而不是漫無目的地為了實(shí)驗(yàn)而實(shí)驗(yàn)?！比欢?，量子特性以許多迥然不同的方式出現(xiàn)，所有搜尋量子邊界的獵人正在從各種角度解決這個(gè)問題，這可以幫助我們確切知曉量子物理定律是怎么應(yīng)用到我們所在的日常世界的。

2019年，阿恩特和他的同事打破了所謂“宏觀性”的尺度紀(jì)錄。所謂“宏觀性”，是一種測(cè)量并比較各種量子效應(yīng)尺度測(cè)試的方法。宏觀性解釋了很多因素，比如：處于量子態(tài)的原子數(shù)量、這些原子的質(zhì)量以及它們處于疊加態(tài)的時(shí)間長度。阿恩特團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)成功地在由成千上方個(gè)有機(jī)化合物構(gòu)成的多個(gè)團(tuán)塊之間實(shí)現(xiàn)了量子干涉，總尺度相當(dāng)于一個(gè)小蛋白質(zhì)。

自那之后，研究人員就在無數(shù)方向上拓展了量子世界的邊界。2023年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員成功將一塊質(zhì)量為16微克的藍(lán)寶石晶體置于疊加態(tài)。2024年，這個(gè)學(xué)校的另一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)則用實(shí)驗(yàn)證明，一個(gè)包含數(shù)十億個(gè)原子、尺度為100納米的玻璃珠具有波動(dòng)性。此外，研究人員還對(duì)更為復(fù)雜的量子態(tài)做了實(shí)驗(yàn)，比如：瑞士巴塞爾大學(xué)我們不能只做一個(gè)實(shí)驗(yàn)而是要在不同實(shí)驗(yàn)室里做大量實(shí)驗(yàn)探索相同的物理學(xué)目標(biāo)。

的一個(gè)研究小組成功讓兩個(gè)均含有700個(gè)銣原子的物體進(jìn)入糾纏狀態(tài)。簡(jiǎn)單比較上述這些實(shí)驗(yàn)中的物體大小會(huì)誤導(dǎo)不明就里的讀者，因?yàn)檫@些實(shí)驗(yàn)測(cè)量的其實(shí)是量子特性的不同方面。不過，盡管有這樣那樣的差異，這些實(shí)驗(yàn)都是我們認(rèn)識(shí)量子特性產(chǎn)生方式的必由之路。

烏布利希說：“我們不能只做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，而是要在不同實(shí)驗(yàn)室里做大量實(shí)驗(yàn)探索相同的物理學(xué)目標(biāo)。這點(diǎn)很重要，因?yàn)橹挥羞@樣，你才能在得到結(jié)果后明確知道那不是人為因素導(dǎo)致的?！?/p>

2024年12月，第一屆薛定諤的貓大會(huì)在日本沖繩舉辦。在大會(huì)的交流過程中，人們明確認(rèn)識(shí)到了這類實(shí)驗(yàn)數(shù)量激增。在這次大會(huì)上，全世界研究宏觀尺度量子物理學(xué)的科學(xué)家濟(jì)濟(jì)一堂，只為探尋他們究竟能把薛定諤的貓這種量子態(tài)做得多大。薛定諤的貓這個(gè)名字來自那個(gè)著名思想實(shí)驗(yàn)，在那個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們不能判斷盒子內(nèi)的貓究竟是死是活，因?yàn)樗幱谏⑺纼煞N狀態(tài)的疊加態(tài)。阿恩特說：“研究薛定諤的貓能有多大的科學(xué)家團(tuán)體正在不斷壯大，現(xiàn)在已經(jīng)有了相當(dāng)規(guī)模。10年前，研究這個(gè)問題的科學(xué)家并不很多，而現(xiàn)在大家都明白了這個(gè)問題的重要性?！?/p>

下一代相關(guān)實(shí)驗(yàn)一其中一部分已經(jīng)在進(jìn)行中一—會(huì)進(jìn)一步助力我們驗(yàn)證自發(fā)坍縮模型的預(yù)測(cè)結(jié)果，甚至可以說，這個(gè)自標(biāo)的實(shí)現(xiàn)已經(jīng)近在咫尺。舉例來說，烏布利希和他的團(tuán)隊(duì)自前正在英國南安普頓大學(xué)的超靜音室內(nèi)展開一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，目標(biāo)是讓一個(gè)直徑20納米（相當(dāng)于人類頭發(fā)直徑的數(shù)千分之一）的硅球進(jìn)入疊加態(tài)。為實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，研究人員必須極其精準(zhǔn)地控制硅球。為此，他們使用功率強(qiáng)大的激光讓硅球懸浮起來，同時(shí)將環(huán)境影響降低到微乎其微的程度。

阿恩特說，這一切之所以能成為現(xiàn)實(shí)，都得益于技術(shù)的飛速進(jìn)步，比如更強(qiáng)大、更復(fù)雜的激光系統(tǒng)。正是因?yàn)檫@些之前沒有的尖端技術(shù)，我們才能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)精準(zhǔn)控制目標(biāo)。阿恩特和他的同事將在2025年晚些時(shí)候正式發(fā)表他們的研究成果，這無疑也將進(jìn)一步推動(dòng)這一研究領(lǐng)域的發(fā)展。

烏布利希則坦承，總的來說，這類實(shí)驗(yàn)仍然比GRW模型預(yù)測(cè)的自發(fā)坍縮尺度上限小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，但我們比之前任何時(shí)候都更接近實(shí)現(xiàn)這個(gè)自標(biāo)。另外，如果自發(fā)坍縮的尺度可以超越我們之前預(yù)測(cè)的邊界，那么這個(gè)結(jié)果很可能會(huì)徹底改寫我們對(duì)量子極限的認(rèn)識(shí)。

邊界獵手

量子世界是出了名地神秘，因?yàn)槲覀円坏┯^察，它的那些神秘且怪異的特征就會(huì)消失。也許，搜尋量子世界邊界的獵手們永遠(yuǎn)都無法直接捕獲量子特性消散的閾值。于是，巴錫和他的同事開始采取另一種方式捕捉量子坍縮的過程：一種竊聽的技巧。

意大利格蘭薩索山脈之下，厚達(dá) 1 千米的巖石成了天然屏蔽物一為了達(dá)到同等的屏蔽效果，烏布利希和阿恩特可是大費(fèi)周章一巴錫和他的同事就在那里尋找高能X射線的蛛絲馬跡。按照某些觀點(diǎn)，高能X射線可能是波函數(shù)自發(fā)坍縮的標(biāo)志性跡象。這類實(shí)驗(yàn)的第一批結(jié)果縮小了可以驗(yàn)證上述理論是否正確的X射線能量范圍，但巴錫更希望能看到一些意想不到的結(jié)果。

烏布利希說，如果我們確實(shí)發(fā)現(xiàn)了某些無法解釋的間接量子坍縮跡象，那么就必須調(diào)整現(xiàn)有的量子力學(xué)理論。在量子力學(xué)誕生100年后，我們終于發(fā)現(xiàn)了它盔甲上的裂縫。烏布利希表示：“這意味著量子力學(xué)并不是終極理論，它一定也需要某些修正?！?/p>

此外，表明坍縮正在發(fā)生的信號(hào)也能證實(shí)烏布利希和帕特諾斯特羅的實(shí)驗(yàn)沒有走錯(cuò)方向。烏布利希稱，他們的實(shí)驗(yàn)有望在10到15年內(nèi)達(dá)到GRW模型預(yù)測(cè)的量子邊界尺度，并找到自發(fā)坍縮的證據(jù)一當(dāng)然前提是存在自發(fā)坍縮。不過，帕特諾斯特羅也提醒說，不論他們最后得到了什么結(jié)果，要保證這些結(jié)果在大量測(cè)試中都成立，難度都要比發(fā)現(xiàn)本身大得多。他說：“我們必須在合適的參數(shù)范圍內(nèi)設(shè)計(jì)出極為細(xì)致且精確到極致的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使其匹配不斷上升的質(zhì)量尺度，匹配不斷上升的粒子數(shù)量。這些都會(huì)讓精確控制這類量子實(shí)驗(yàn)變得極為困難?！?/p>

對(duì)于這些志在尋找量子世界和經(jīng)典世界界線的物理學(xué)家來說，技術(shù)似乎是一個(gè)極為重要的限制因素。隨著技術(shù)的進(jìn)步，這些研究人員的努力或許會(huì)證明，這條邊界并不是現(xiàn)實(shí)的某個(gè)特征，而是我們探索現(xiàn)實(shí)的能力的極限。在量子世界中，就像在我們生活的經(jīng)典世界內(nèi)一樣，在任何可以想象的尺度上，都應(yīng)該有糾纏、疊加以及其他量子效應(yīng)的跡象。

巴錫認(rèn)為，大多數(shù)物理學(xué)家都接受了這樣一種假設(shè)：只要能夠充分控制環(huán)境影響因素，我們便能制造出各種尺度的量子系統(tǒng)，不受任何限制。然而，證明這個(gè)假設(shè)恰恰才是最困難的。 0

資料來源NewScientist

本文作者亞歷克斯·威爾金斯（AlexWilkins）是《新科學(xué)家》雜志的新聞?dòng)浾?，主要?bào)道領(lǐng)域?yàn)槲锢韺W(xué)和相關(guān)技術(shù)，他對(duì)人工智能、量子計(jì)算和天文學(xué)尤為感興趣