【大紀元2026年07月15日訊】（大紀元記者笛睿編譯報導）科學家近日完成了一項令人難以置信的量子實驗：他們證明，由數千個原子組成的微小金屬「團塊」，能夠「同時存在於多個地方」——即質心波函數的空間疊加。

維也納大學（University of Vienna）的研究團隊利用先進的激光技術，成功在由鈉組成的納米粒子上觀測到量子干涉現象，而這些粒子的尺寸遠大於過去通常被觀察到具有此類量子行為的粒子。

這項成果將量子力學的研究推向新的領域，顯示即使是尺寸出乎意料地「較大」的物體，仍然遵循量子世界那些看似違反直覺的奇異法則——即使是微小的金屬「團塊」，也能以同時分布於多個位置的量子態存在。

在這項1月份發表於《自然》（Nature）期刊的新研究中，來自維也納大學和杜伊斯堡-埃森大學（University of Duisburg-Essen）的研究人員證明，由數千個鈉原子組成的金屬納米粒子，儘管其尺寸和質量遠大於此類實驗中通常使用的粒子，依然展現出量子行為。

這項成果代表了迄今對量子力學最有力的驗證之一，將測試範圍推進至接近宏觀世界的尺度。

在此之前，物質波干涉實驗的質量紀錄大約維持在2.8萬達爾頓（Dalton，簡稱 Da，相當於原子質量單位amu）（由大型複雜分子創下）。而本次研究直接將尺度推升了近6倍，首次在「金屬納米粒子」這一全新材料類別上實現了量子去域化。

該實驗最重要的意義在於它在「高質量」與「長相干時間」之間取得了平衡，是目前對「波粒二象性」邊界最嚴苛的測試之一。

量子物理描述了一個物質既可以表現得像粒子，又可以表現得像波一樣的微觀世界。科學家們已透過干涉和雙縫實驗，一再證實電子、原子和小分子都具有這種不同尋常的量子特性。然而在日常生活中，像岩石、灰塵或玻璃彈珠這類普通物體，則似乎遵循著可預測的經典物理定律——停留在單一位置，並沿著明確的軌跡運動。

由馬庫斯‧阿恩特（Markus Arndt）和斯特凡‧格利希（Stefan Gerlich）領導的維也納大學研究團隊，如今首次將這種量子效應擴展至尺寸大得多的金屬納米粒子。

實驗中使用的鈉納米團簇（sodium clusters）直徑約為8納米，其尺寸與現代電晶體元件相近。每個團簇的質量都超過17萬達爾頓，比大多數蛋白質還要重。

即使達到這樣的尺度，這些粒子仍然產生了可測量的量子干涉現象。

論文第一作者、博士生塞巴斯蒂安‧佩達利諾（Sebastian Pedalino）表示：「直覺上，人們會認為如此大的金屬團塊應該像經典粒子一樣運動。然而，它依然能產生干涉現象，顯示量子力學在這樣的尺度上依然成立，無需引入其它替代理論模型。」

為了完成這項實驗，研究人員製造出由5,000至10,000個鈉原子組成的超低溫鈉團簇（sodium clusters）。接著，這些粒子依序穿過由超快紫外線激光脈衝產生的三個暫態繞射光柵（diffraction gratings）。

第一道激光脈衝準備了粒子的空間相干性：將每個團簇的位置精確定位至約10納米；第二道脈衝則充當衍射光柵，將每個團簇的波函數分裂為多條路徑的疊加態，也就是說，使粒子進入量子疊加態（quantum superposition），它們能夠同時沿著多條不同路徑穿越實驗裝置。當這些波路徑在實驗後段彼此重疊時，便形成了可被偵測到的條紋狀干涉圖樣，其結果與量子理論的預測完全一致。

研究結果顯示，這些粒子在飛行過程中並非固定停留在某一個位置，而是其量子態分布於一個比粒子本身大數十倍的空間範圍內。這證明了即便在如此大的質量下，物質波特性依然存在。

物理學家將這種狀態稱為「薛定諤的貓態」（Schrödinger cat states），名稱源自奧地利物理學家薛定諤（Erwin Schrödinger）提出的著名思想實驗：在未被觀測之前，一隻貓同時處於既「活著」又「死亡」兩種狀態。

在這項研究中，研究人員形容這些金屬團簇如同「同時在這裡，也不在這裡」——呈「相干疊加態」（Coherent Superposition）。這並非指物體像科幻電影般分身，而是指其波函數（Wavefunction）在空間中延展，且多條路徑之間保持著相位相關性。

這類近場干涉（near-field interferometry）的理論基礎，是由這項新研究的共同作者之一、德國杜伊斯堡－埃森大學的克勞斯‧霍恩伯格（Klaus Hornberger，）在過去二十年間逐步建立的。他與當時任職於維也納大學的斯特凡‧尼姆里希特（Stefan Nimmrichter）先前還提出了「宏觀性測度」（macroscopicity log-scale）的概念，用來比較不同實驗在檢驗量子力學極限方面的能力。

「宏觀性測度」讓科學家能夠評估涉及納米振盪器（nano-oscillators）、原子干涉儀（atomic interferometers）以及納米聲學諧振器（nanoacoustic resonators）等系統的實驗，衡量它們在排除標準量子理論中即使是極微小偏差方面的有效程度。

在這項新實驗中，研究團隊達到了宏觀性值μ=15.5。研究人員表示，這一數值比全球先前同類實驗高出約一個數量級（約10倍）。

若要利用電子達到相同等級的量子力學檢驗精度，科學家必須讓電子的量子疊加態維持將近1億年；而維也納團隊使用的金屬納米粒子，僅用了約百分之一秒便達成了相同的檢驗標準。

除了驗證量子力學的基本原理外，這項研究還有助於科學家進一步理解：為何量子效應主導微觀世界，而我們日常生活中的物體卻呈現正常且符合古典物理規律的行為。

研究團隊計劃在未來研究中測試更大尺寸的粒子及更多不同材料，進一步將這類量子實驗推進數個數量級。隨著實驗設施升級及儀器性能提升，研究人員預期將能進行靈敏度更高的測量。

維也納大學團隊使用的干涉儀同時也是一種極高精度的力感測器，能夠偵測小至10⁻²⁶牛頓（N）的微弱作用力。研究人員表示，未來改良版本的靈敏度還可望進一步提升，為孤立納米粒子的電學、磁學和光學特性的高精度測量開闢可能性。

這些技術最終有望推動納米科技及高精度感測技術的進一步發展。◇

責任編輯：李琳#