量子世界有多大?

奥地利和瑞士科学家已经成功地将只有100到140纳米宽的纳米粒子冷冻,让它们几乎完全进入最低能量的量子状态,使它们的温度仅比绝对零度高出几百万分之一度,并且可以精确的测量它们的空间位置。

一直以来,研究人员一直在稳步增加粒子的大小,从原子到小分子,然后是大分子……他们希望得到表现出量子效应的粒子能持续到何种尺寸。

宏观状态下,每个物体都有自己的位置,我们可以通过坐标系统精确地确定一个物体的空间位置。

当进入微观世界,物质达到量子级别,重力不再起作用,粒子将进入一个所谓的量子叠加状态——在测量它们之前,不可能说它们就在它们的位置,它可以在这里,可以在那里,也可以在别的地方。

但是当粒子与周围环境相互作用时,这种量子效应往往很容易受到干扰,因此,随着物体变大并经历更多的相互作用,建立叠加状态会变得困难,这些相互作用几乎瞬间叠加-坍塌。

量子叠加效应的消失是由于粒子的大小限制?还是因为量子行为与重力不相容(原子和分子可以忽略不小)?

这些问题在量子理论的百年历史中一直存在的问题。

另一个与精确测量粒子的空间位置相反的想法是,对于叠加态的粒子,根本就没有明确的答案——"位置"的属性定义不明确。当我们看粒子时,我们怎么知道粒子是在叠加之前的粒子,还是现在的粒子?

所以,我们不需要精确知道粒子的位置,我们只要知道它们在空间出现的概率即可,就像波一样,而且可以用波函数数学公式来描述。

当粒子穿过屏幕上两个狭小的隔缝时,量子干扰最为明显。如果我们关注粒子到底穿过哪个缝隙,那么粒子的行为将很像水波,其波功能将同时通过两个缝隙传播,从而形成双峰干涉。但是,如果我们在缝隙放置一个测量装置来告诉我们每个粒子是否通过它,观察粒子的路径,那么干扰模式就会消失。

那么物体尺寸多大时,还能同时表现出波和粒子的性质(简称波粒二象性)?

从理论上讲,任何大小物质都能表现出波动性和粒子性,但是随着物种尺寸的增大,物质的波动性不明显。1999年,维也纳大学的量子物理学家安东·泽林格用碳60进行了双缝实验研究这个问题,他们发现一个清晰的干扰模式,证明即使是像C60这样0.7纳米的分子可以进行干涉试验。

马库斯·阿恩特实验室干涉仪的高真空室

2011年,量子物理学家马库斯·阿恩特和他的团队对碳基有机分子进行干涉试验,每个原子最多430个原子,直径高达6纳米。2019年,他们用大约2000个原子的分子做到了这一点。2020年,他们用生物分子(一种叫做克麦地那A1的天然肽)进行了干涉实验。他们的目标是每年或两年将粒子的质量增加10倍,最后用生物进行干涉试验,探索量子干涉的极限。

现在,量子力学似乎与现代重力理论(爱因斯坦的广义相对论)不相容。量子世界是离散的和粒子性的,而相对论则把时空描述为平滑和连续。通常情况下,这种不和谐可以忽略,因为量子力学描述尺度非常小的微观世界,而广义相对论描述大宇宙天体。如何将极小和极大联系在一起,这是物理学界的一座圣杯,包括霍金在内的几代物理学家已经为之倾尽毕生心血。

英国数学物理学家罗杰·彭罗斯认为,在中尺度上,当量子理论与广义相对论相冲突时,后者将获胜,破坏量子效应。在广义相对论下,任何具有显著引力场的物体都会扭曲时空。但是,处于叠加状态的物质会产生两个叠加的时空,这是广义相对论不允许的情况,在此种情况下,重力将作出选择,只能保留一种情况。那么在此种情况下,可以监测到粒子重力,产生叠加的粒子重力也在发挥作用。

换句话说,将量子尺度扩展到重力起作用的大小,并在波函数坍缩之间观测到它们,那将是对量子力学本质的巨大发现。

参考文献:
https://www.quantamagazine.org/how-big-can-the-quantum-world-be-physicists-probe-the-limits-20210818/

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