由1萬顆原子組成的金屬微粒被同時保持在兩個位置上

物理學家把由多達1萬顆原子組成的金屬顆粒置於一種狀態,使它同時占據兩個略微分開的位置。這個團簇幾乎看不見——直徑約八奈米——但遠遠大於、也遠遠重於此前任何被保持在已驗證量子疊加態中的物體。教科書上的奇異性通常只屬於單一原子和小分子,如今首次被展示在一塊真實的固體金屬上。

量子疊加是指一個粒子在與環境保持隔離的前提下,表現得彷彿同時處在不止一個地方。流行的形象是薛丁格的貓,但實驗室版本更克制、也更有說服力:讓粒子穿過一組精確布置的障礙,看它最後落在哪裡。如果它與自身發生干涉,沿途就處在兩個位置;若否,它的表現就像一個古典物體。

所用的鈉團簇質量超過17萬個原子質量單位,將該顆粒推到此前處於此類狀態中最重物體之上約一個數量級。疊加的展寬比顆粒本身寬出數十倍,物理學家以「宏觀性」這個量化指標來描述,本次新結果達到 μ = 15.5。

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實驗由維也納大學與杜伊斯堡-埃森大學的研究組合作完成,博士生 Sebastian Pedalino 為第一作者,Markus Arndt、Stefan Gerlich 與 Klaus Hornberger 為主要研究者。這套方法名為近場物質波干涉。三塊由紫外雷射形成的繞射光柵作為障礙。團簇依序穿過它們,而在探測器上的堆積方式告訴團隊:每個團簇是以波的方式——同時處在兩個位置上——通過裝置,還是以普通粒子的方式通過。

實驗的目標並非催生新技術。目標是繼續把量子力學被檢驗的邊界,以及它可能出錯的邊界,往外推。理論的所有預測至今都站得住,但理論並未說明日常生活中的古典物體為何從不看起來同時身處兩地。把這個區域延伸到更重、更複雜的物體會讓這個問題更銳利;若在某個質量尺度上干涉出現失效,那將是新物理的直接證據。

結果有所限制。干涉訊號僅出現於深度超低溫,且僅持續穿越裝置自由飛行的約百分之一秒,之後殘餘氣體、輻射和熱運動就會破壞相干性。團簇尺度依日常標準仍屬微觀。實驗亦依賴於關於雷射光柵與團簇源的若干假設,團隊必須在面對替代解釋時為之辯護——這是同行評審所檢驗的一部分。

相較於約二十年前,當干涉首度於被稱為巴克球的60原子碳分子上展示時,如今的結果相當顯著。質量的跨距較那些早期展示高出約兩個數量級,宏觀性也相對更高。每靠近一些病毒或活細胞那樣尺寸與複雜度的物體,也意味著更靠近一個直覺不再是可靠嚮導的臨界點。

這項研究於2026年5月發表於《自然》。維也納與杜伊斯堡-埃森團隊表示,下一階段將鎖定更大的顆粒與不同的材料組成——這是這條實驗路徑上自然的下一級台階——同時將研究物質波技術能否作為在奈米尺度上量測力與物性的精密感測器。

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