【大.纪.元;2026年07月15日讯】（大.纪.元;记者笛睿编译报导）科学家近日完成了一项令人难以置信的量子实验：他们证明，由数千个原子组成的微小金属“团块”，能够“同时存在于多个地方”——即质心波函数的空间叠加。

维也纳大学（University of Vienna）的研究团队利用先进的激光技术，成功在由钠组成的纳米粒子上观测到量子干涉现象，而这些粒子的尺寸远大于过去通常被观察到具有此类量子行为的粒子。

这项成果将量子力学的研究推向新的领域，显示即使是尺寸出乎意料地“较大”的物体，仍然遵循量子世界那些看似违反直觉的奇异法则——即使是微小的金属“团块”，也能以同时分布于多个位置的量子态存在。

在这项1月份发表于《自然》（Nature）期刊的新研究中，来自维也纳大学和杜伊斯堡-埃森大学（University of Duisburg-Essen）的研究人员证明，由数千个钠原子组成的金属纳米粒子，尽管其尺寸和质量远大于此类实验中通常使用的粒子，依然展现出量子行为。

这项成果代表了迄今对量子力学最有力的验证之一，将测试范围推进至接近宏观世界的尺度。

在此之前，物质波干涉实验的质量纪录大约维持在2.8万达尔顿（Dalton，简称 Da，相当于原子质量单位amu）（由大型复杂分子创下）。而本次研究直接将尺度推升了近6倍，首次在“金属纳米粒子”这一全新材料类别上实现了量子去域化。

该实验最重要的意义在于它在“高质量”与“长相干时间”之间取得了平衡，是目前对“波粒二象性”边界最严苛的测试之一。

量子物理描述了一个物质既可以表现得像粒子，又可以表现得像波一样的微观世界。科学家们已透过干涉和双缝实验，一再证实电子、原子和小分子都具有这种不同寻常的量子特性。然而在日常生活中，像岩石、灰尘或玻璃弹珠这类普通物体，则似乎遵循着可预测的经典物理定律——停留在单一位置，并沿着明确的轨迹运动。

由马库斯‧阿恩特（Markus Arndt）和斯特凡‧格利希（Stefan Gerlich）领导的维也纳大学研究团队，如今首次将这种量子效应扩展至尺寸大得多的金属纳米粒子。

实验中使用的钠纳米团簇（sodium clusters）直径约为8纳米，其尺寸与现代电晶体元件相近。每个团簇的质量都超过17万达尔顿，比大多数蛋白质还要重。

即使达到这样的尺度，这些粒子仍然产生了可测量的量子干涉现象。

论文第一作者、博士生塞巴斯蒂安‧佩达利诺（Sebastian Pedalino）表示：“直觉上，人们会认为如此大的金属团块应该像经典粒子一样运动。然而，它依然能产生干涉现象，显示量子力学在这样的尺度上依然成立，无需引入其它替代理论模型。”

为了完成这项实验，研究人员制造出由5,000至10,000个钠原子组成的超低温钠团簇（sodium clusters）。接着，这些粒子依序穿过由超快紫外线激光脉冲产生的三个暂态绕射光栅（diffraction gratings）。

第一道激光脉冲准备了粒子的空间相干性：将每个团簇的位置精确定位至约10纳米；第二道脉冲则充当衍射光栅，将每个团簇的波函数分裂为多条路径的叠加态，也就是说，使粒子进入量子叠加态（quantum superposition），它们能够同时沿着多条不同路径穿越实验装置。当这些波路径在实验后段彼此重叠时，便形成了可被侦测到的条纹状干涉图样，其结果与量子理论的预测完全一致。

研究结果显示，这些粒子在飞行过程中并非固定停留在某一个位置，而是其量子态分布于一个比粒子本身大数十倍的空间范围内。这证明了即便在如此大的质量下，物质波特性依然存在。

物理学家将这种状态称为“薛定谔的猫态”（Schrödinger cat states），名称源自奥地利物理学家薛定谔（Erwin Schrödinger）提出的著名思想实验：在未被观测之前，一只猫同时处于既“活着”又“死亡”两种状态。

在这项研究中，研究人员形容这些金属团簇如同“同时在这里，也不在这里”——呈“相干叠加态”（Coherent Superposition）。这并非指物体像科幻电影般分身，而是指其波函数（Wavefunction）在空间中延展，且多条路径之间保持着相位相关性。

这类近场干涉（near-field interferometry）的理论基础，是由这项新研究的共同作者之一、德国杜伊斯堡－埃森大学的克劳斯‧霍恩伯格（Klaus Hornberger，）在过去二十年间逐步建立的。他与当时任职于维也纳大学的斯特凡‧尼姆里希特（Stefan Nimmrichter）先前还提出了“宏观性测度”（macroscopicity log-scale）的概念，用来比较不同实验在检验量子力学极限方面的能力。

“宏观性测度”让科学家能够评估涉及纳米振荡器（nano-oscillators）、原子干涉仪（atomic interferometers）以及纳米声学谐振器（nanoacoustic resonators）等系统的实验，衡量它们在排除标准量子理论中即使是极微小偏差方面的有效程度。

在这项新实验中，研究团队达到了宏观性值μ=15.5。研究人员表示，这一数值比全球先前同类实验高出约一个数量级（约10倍）。

若要利用电子达到相同等级的量子力学检验精度，科学家必须让电子的量子叠加态维持将近1亿年；而维也纳团队使用的金属纳米粒子，仅用了约百分之一秒便达成了相同的检验标准。

除了验证量子力学的基本原理外，这项研究还有助于科学家进一步理解：为何量子效应主导微观世界，而我们日常生活中的物体却呈现正常且符合古典物理规律的行为。

研究团队计划在未来研究中测试更大尺寸的粒子及更多不同材料，进一步将这类量子实验推进数个数量级。随着实验设施升级及仪器性能提升，研究人员预期将能进行灵敏度更高的测量。

维也纳大学团队使用的干涉仪同时也是一种极高精度的力感测器，能够侦测小至10⁻²⁶牛顿（N）的微弱作用力。研究人员表示，未来改良版本的灵敏度还可望进一步提升，为孤立纳米粒子的电学、磁学和光学特性的高精度测量开辟可能性。

这些技术最终有望推动纳米科技及高精度感测技术的进一步发展。◇

责任编辑：李琳#