量子世界有多大？ / 四六文摘

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/