薛定谔的猫，变大了

薛定谔的猫，变大了

(视频)

量子世界变大了：关于破纪录的“薛定谔的猫”实验，5个让你脑洞大开的事实

“薛定谔的猫”可能是量子力学中最著名也最令人费解的思想实验。然而，我们日常所处的世界似乎遵循着完全不同的规则，猫要么是活的，要么是死的，不会同时处于两种状态。最近，一项突破性的实验成功创造了迄今为止最大的“薛定谔的猫”，模糊了微观量子世界与宏观现实之间的界限。

1. 这只“猫”实际上是一个由7000个原子组成的金属团簇

当然，实验中用的不是一只真猫，而是维也纳大学的一个团队创造了有史以来最大的“量子叠加态”物体。“叠加态”是一种奇特的量子状态，在这种状态下，一个物体可以同时存在于一片由多个可能位置构成的迷雾之中。

具体来说，这个物体是一个由大约7000个钠金属原子组成的团簇，每个团簇的宽度约为8纳米。研究团队成功地将这个团簇置于一个跨越两个不同位置的叠加态，这两个位置相距133纳米。关键在于，这个团簇的行为不像一颗撞向靶子的台球，而是像一道波：它会同时沿着多条路径传播，最终与自身发生干涉，形成一个可被探测到的独特图样。正是这个干涉图样的出现，无可辩驳地证明了它进入了量子叠加态。根据一种被称为“宏观性”（macroscopicity）的度量标准，这一成就比之前的记录大了十倍。

2. 实验正在探索物理学最深奥的谜题之一：量子与现实的边界

像猫这样的大型物体并不会表现出量子效应，但为什么不会呢？物理学家们一直在试图找出这种效应的尺寸极限究竟在哪里。其中的关键概念是“退相干”：量子态极其脆弱，任何与周围环境的微小互动——比如热量、 stray gas molecules或光线——都会导致其坍缩，从多种可能性的叠加状态瞬间“退化”为我们熟悉的单一经典状态。

一些“塌缩理论”甚至认为，一旦物体超过某个质量或尺寸，这种坍缩就是不可避免的。因此，这个实验正在帮助回答一个“近乎哲学性的问题：‘量子世界和经典世界之间是否存在一个过渡地带？’”

事实上，量子理论本身并没有为叠加态设定尺寸上限。正如维也纳大学的物理学家塞巴斯蒂安·佩达利诺（Sebastian Pedalino）所说：

“量子理论从未说过它在超过某个质量或尺寸后就会失效。”

这个实验表明，至少对于这种尺寸的原子团簇来说，量子力学依然是正确的。

3. 实现这一突破的过程极其艰辛

观察量子效应极其困难，因为最轻微的干扰——比如 stray gas molecules、光线或电场——都可能“窥探”到这个量子系统，迫使其脱离精密的叠加态，从而使证明其量子特性的关键干涉图样变得模糊不清。为了实现这一目标，实验必须在77开尔文（-196 °C）的超高真空环境中进行。

这背后是巨大的个人努力和坚持。佩达利诺表示，他的团队花了整整两年时间才勉强看到信号的踪影，他本人“在一个地下实验室里花了数千个小时，盯着那些平坦的线条和噪音”。

4. 这项研究对量子计算机的未来至关重要

未来的量子计算机需要让数以百万计的物体（即量子比特）协同工作，并长期保持在一个巨大的量子态中，才能进行有用的计算。布里斯托大学的量子物理学家朱利亚·鲁比诺（Giulia Rubino）指出，如果像某些“塌缩理论”所假设的那样，量子系统在超过一定尺寸后会自然崩溃，那么这将对构建功能强大的量子计算机“带来麻烦”。

因此，通过实验证明更大的系统可以维持量子叠加态，是消除潜在障碍、验证大规模量子计算可行性的关键一步。

5. 下一步？将生物物质（如病毒）置于量子态

该团队已经开始着手将生物物质放入相同的实验装置中进行测试。病毒是一个潜在的目标。虽然病毒的大小与这次实验中的金属团簇相似，但它们在飞行过程中更脆弱、更容易碎裂，这使得实验更加困难。尽管如此，佩达利诺认为这“不再是遥不可及的了”。

他补充说，虽然病毒通常不被认为是活的，但成功进行这样的实验将把整个领域“推向一个全新的前沿”。

--------------------------------------------------------------------------------

科学家们正在成功地将量子世界的边界推向我们熟悉的宏观尺度。随着我们不断放大这些“薛定谔的猫”，我们最终会在哪里找到奇异量子世界与日常现实之间的分界线？还是说，我们会发现这条线根本就不存在？