量子世界究竟在哪里結束，具體的現(xiàn)實又從哪里開始？

許久之前，我們就已經觀察到諸多粒子存在疊加、糾纏等量子效應，但物理學家正在探索物體的尺寸大到何種尺度后便會失去量子性。

編譯

失，疊加態(tài)就會坍縮一物體越大就越有可能屈服于確定性。

然而，在過去的幾年里，科學家的實驗能力大幅進步，不只能把像簡單粒子這樣的微小物體置于疊加態(tài)，甚至能把意想不到的大物件也置于疊加狀態(tài)，其中包括藍寶石晶體。隨著量子效應出現(xiàn)的尺度越來越大，那個謎團也愈發(fā)撲朔迷離：在量子世界的微小尺度上占據(jù)主導地位的這些怪異量子現(xiàn)象是否存在適用的尺度上限？

這的的地方頓大學的一個物理實驗室，負責人是亨德里克·烏布利希（HendrikUlbricht）。為了消除所有可能出現(xiàn)的干擾，研究人員付出了難以想象的巨大努力：一塊重達一噸的花崗巖板吸收了除了最輕微的震顫之外的幾乎所有振動，同時，一座由引力波探測器改造而來的鐘擺負責捕捉那些殘存的擺動，一臺冰箱則將外部空間最深處的溫度冷卻到了誤差范圍極小的程度。這一切努力都是為了一個渺茫的希望：回答一個自一個世紀前量子力學誕生以來便一直困擾著物理學家的問題。

目前，全世界的科學家都在做實驗尋找這個邊界。實驗結果有可能填補量子力學創(chuàng)造者留下的理論空白，或許還有助于我們在量子力學建立100多年后重新定義這一重大物理理論的意義。

在微觀量子領域，現(xiàn)實的工作方式似乎與我們熟悉的日常世界（堅實穩(wěn)定、可以預測）迥然不同。在量子世界中，原本涇渭分明的邊界互相交融，物質實體可以在沒有物理接觸的前提下就深度糾纏在一起。處于疊加態(tài)的量子物體似乎可以同時存在于多個位置一至少，如果我們不直接觀察它們的話是這樣。不過，只要稍有擾動，糾纏就會消

烏布利希評論埃爾溫·薛定諤（ErwinSchrodinger）在1926年提出的量子力學柱石薛定諤方程時說：“這個方程最初的版本沒有任何質量限制。也就是說，你可以把它應用到任何大小、任何質量的物體上。沒有任何限制。你唯一需要解決的技術挑戰(zhàn)是必須把系統(tǒng)同環(huán)境隔絕開來從根本上說，沒有任何其他因素會制約你不斷把量子效應應用到更大尺度上?！?/p>

多大就太大了？

讓我們從單個粒子開始討論，就比如光子，你肯定能觀察到量子效應。這類與光相關的粒子彼此間可以相互糾纏。當兩個光子發(fā)生糾纏之后，其中一個發(fā)生的任何變化都可以在另一個粒子上顯現(xiàn)。從著名的雙縫實驗中，我們知道光子具有波粒二象性，也即可以同時表現(xiàn)出粒子性和波動性。雙縫實驗的流程很簡單，第一步是把一束光打在有兩個狹縫的光屏上。如果光僅僅只是粒子，那我們就會看到光穿過光屏后形成兩條光帶，但事實是，穿過光屏后的光產生了明暗相間的條紋圖樣。于是，我們便知道了光子受量子規(guī)則約束。另外，在某些情況下，多達5個甚至10個粒子也能產生像疊加這樣的量子效應，但500個粒子可以嗎？5億個呢？

英國貝爾法斯特女王大學的莫羅·帕特諾斯特羅（MauroPaternostro）說:“到目前為止，量子力學是人類描述自然最成功的數(shù)學框架，但從形式上看，它似乎完全不限于微觀尺度。”

實際上，事實證明，檢驗量子效應的適用尺度是否存在某個閾值以及這個閾值具體如何（如果確實存在的話）是個極為艱巨的任務。雖然量子世界本身可能確實變幻莫測，但它很容易通過一種被稱為“退相干”的效應坍縮成某種更具體、更經典的事物。舉例來說，只要以某種方式讓某個系統(tǒng)外的粒子觸碰量子物體，后者的怪異量子特性就會消失。

為了找出其中的原因，物理學家首先需要確定量子坍縮是否僅僅由環(huán)境干擾引起，還是有某種更為深層的因素在發(fā)揮作用。烏布利希說：“我們必須在極為特殊的條件下做這類極端實驗，只有這樣才能摒除環(huán)境因素的影響，檢驗是否存在更為基本的效應。”

如果有什么更為怪異的東西破壞了我們在小尺度上看到的量子特性，這種東西可能與引力同量子力學的相互作用方式或是暗物質塑造量子世界的路徑有關。另外，這種東西也可能來自量子真空本身一壽命極其短暫的粒子突然出現(xiàn)，然后又突然消失，但它們存在的這點時間已經足以撼動一切。

我們有充分的理由懷疑，這類極端實驗是否存在終點，還是只是一段無限探索之旅中的一部分，只有當物理定律告訴我們不能再走下去時探索才會結束。一種觀點認為，我們生活在量子世界中，所以量子效應應該無處不在。

不過，這類實驗確實有自己的目標。從20世紀80年代開始，物理學家就開始提出各種理論解釋在沒有環(huán)境因素驅動的情況下量子態(tài)為何及何時坍縮（也即“波函數(shù)坍縮”）。這些理論統(tǒng)稱為自發(fā)坍縮模型。奧地利維也納大學的馬庫斯·阿恩特（MarkusArndt）說，雖然這些理論的基礎并不是對自發(fā)坍縮現(xiàn)象的任何觀測結果（因為我們目前還完全沒有觀測到這個現(xiàn)象），但自發(fā)坍縮模型確實可以預測自發(fā)坍縮發(fā)生的具體時間。

舉個例子，自發(fā)坍縮模型中的先行者，也是研究最為廣泛的一大理論吉拉爾迪-里米尼－韋伯模型（GRW模型）認為，直徑在1微米左右的粒子仍應該會發(fā)生坍縮。然而，在很長一段時間內，試圖捕捉自發(fā)坍縮現(xiàn)象的實驗都是在遠低于GRW模型預測的尺度上測量量子效應。最近這些年，情況有了變化，技術進步意味著包括烏布利希和阿恩特在內的諸多相關研究團隊都開始進入未知領域。

意大利的里斯雅特大學的安杰洛·巴錫（AngeloBassi）說：“坍縮模型引導你尋找最有效的實驗，而不是漫無目的地為了實驗而實驗?！比欢?，量子特性以許多迥然不同的方式出現(xiàn)，所有搜尋量子邊界的獵人正在從各種角度解決這個問題，這可以幫助我們確切知曉量子物理定律是怎么應用到我們所在的日常世界的。

2019年，阿恩特和他的同事打破了所謂“宏觀性”的尺度紀錄。所謂“宏觀性”，是一種測量并比較各種量子效應尺度測試的方法。宏觀性解釋了很多因素，比如：處于量子態(tài)的原子數(shù)量、這些原子的質量以及它們處于疊加態(tài)的時間長度。阿恩特團隊的實驗成功地在由成千上方個有機化合物構成的多個團塊之間實現(xiàn)了量子干涉，總尺度相當于一個小蛋白質。

自那之后，研究人員就在無數(shù)方向上拓展了量子世界的邊界。2023年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究人員成功將一塊質量為16微克的藍寶石晶體置于疊加態(tài)。2024年，這個學校的另一個研究團隊則用實驗證明，一個包含數(shù)十億個原子、尺度為100納米的玻璃珠具有波動性。此外，研究人員還對更為復雜的量子態(tài)做了實驗，比如：瑞士巴塞爾大學我們不能只做一個實驗而是要在不同實驗室里做大量實驗探索相同的物理學目標。

的一個研究小組成功讓兩個均含有700個銣原子的物體進入糾纏狀態(tài)。簡單比較上述這些實驗中的物體大小會誤導不明就里的讀者，因為這些實驗測量的其實是量子特性的不同方面。不過，盡管有這樣那樣的差異，這些實驗都是我們認識量子特性產生方式的必由之路。

烏布利希說：“我們不能只做一個實驗，而是要在不同實驗室里做大量實驗探索相同的物理學目標。這點很重要，因為只有這樣，你才能在得到結果后明確知道那不是人為因素導致的。”

2024年12月，第一屆薛定諤的貓大會在日本沖繩舉辦。在大會的交流過程中，人們明確認識到了這類實驗數(shù)量激增。在這次大會上，全世界研究宏觀尺度量子物理學的科學家濟濟一堂，只為探尋他們究竟能把薛定諤的貓這種量子態(tài)做得多大。薛定諤的貓這個名字來自那個著名思想實驗，在那個實驗中，我們不能判斷盒子內的貓究竟是死是活，因為它處于生、死兩種狀態(tài)的疊加態(tài)。阿恩特說：“研究薛定諤的貓能有多大的科學家團體正在不斷壯大，現(xiàn)在已經有了相當規(guī)模。10年前，研究這個問題的科學家并不很多，而現(xiàn)在大家都明白了這個問題的重要性?！?/p>

下一代相關實驗一其中一部分已經在進行中一—會進一步助力我們驗證自發(fā)坍縮模型的預測結果，甚至可以說，這個自標的實現(xiàn)已經近在咫尺。舉例來說，烏布利希和他的團隊自前正在英國南安普頓大學的超靜音室內展開一項實驗，目標是讓一個直徑20納米（相當于人類頭發(fā)直徑的數(shù)千分之一）的硅球進入疊加態(tài)。為實現(xiàn)這個目標，研究人員必須極其精準地控制硅球。為此，他們使用功率強大的激光讓硅球懸浮起來，同時將環(huán)境影響降低到微乎其微的程度。

阿恩特說，這一切之所以能成為現(xiàn)實，都得益于技術的飛速進步，比如更強大、更復雜的激光系統(tǒng)。正是因為這些之前沒有的尖端技術，我們才能在實驗室內精準控制目標。阿恩特和他的同事將在2025年晚些時候正式發(fā)表他們的研究成果，這無疑也將進一步推動這一研究領域的發(fā)展。

烏布利希則坦承，總的來說，這類實驗仍然比GRW模型預測的自發(fā)坍縮尺度上限小幾個數(shù)量級，但我們比之前任何時候都更接近實現(xiàn)這個自標。另外，如果自發(fā)坍縮的尺度可以超越我們之前預測的邊界，那么這個結果很可能會徹底改寫我們對量子極限的認識。

邊界獵手

量子世界是出了名地神秘，因為我們一旦觀察，它的那些神秘且怪異的特征就會消失。也許，搜尋量子世界邊界的獵手們永遠都無法直接捕獲量子特性消散的閾值。于是，巴錫和他的同事開始采取另一種方式捕捉量子坍縮的過程：一種竊聽的技巧。

意大利格蘭薩索山脈之下，厚達 1 千米的巖石成了天然屏蔽物一為了達到同等的屏蔽效果，烏布利希和阿恩特可是大費周章一巴錫和他的同事就在那里尋找高能X射線的蛛絲馬跡。按照某些觀點，高能X射線可能是波函數(shù)自發(fā)坍縮的標志性跡象。這類實驗的第一批結果縮小了可以驗證上述理論是否正確的X射線能量范圍，但巴錫更希望能看到一些意想不到的結果。

烏布利希說，如果我們確實發(fā)現(xiàn)了某些無法解釋的間接量子坍縮跡象，那么就必須調整現(xiàn)有的量子力學理論。在量子力學誕生100年后，我們終于發(fā)現(xiàn)了它盔甲上的裂縫。烏布利希表示：“這意味著量子力學并不是終極理論，它一定也需要某些修正?！?/p>

此外，表明坍縮正在發(fā)生的信號也能證實烏布利希和帕特諾斯特羅的實驗沒有走錯方向。烏布利希稱，他們的實驗有望在10到15年內達到GRW模型預測的量子邊界尺度，并找到自發(fā)坍縮的證據(jù)一當然前提是存在自發(fā)坍縮。不過，帕特諾斯特羅也提醒說，不論他們最后得到了什么結果，要保證這些結果在大量測試中都成立，難度都要比發(fā)現(xiàn)本身大得多。他說：“我們必須在合適的參數(shù)范圍內設計出極為細致且精確到極致的實驗環(huán)境，使其匹配不斷上升的質量尺度，匹配不斷上升的粒子數(shù)量。這些都會讓精確控制這類量子實驗變得極為困難。”

對于這些志在尋找量子世界和經典世界界線的物理學家來說，技術似乎是一個極為重要的限制因素。隨著技術的進步，這些研究人員的努力或許會證明，這條邊界并不是現(xiàn)實的某個特征，而是我們探索現(xiàn)實的能力的極限。在量子世界中，就像在我們生活的經典世界內一樣，在任何可以想象的尺度上，都應該有糾纏、疊加以及其他量子效應的跡象。

巴錫認為，大多數(shù)物理學家都接受了這樣一種假設：只要能夠充分控制環(huán)境影響因素，我們便能制造出各種尺度的量子系統(tǒng)，不受任何限制。然而，證明這個假設恰恰才是最困難的。 0

資料來源NewScientist

本文作者亞歷克斯·威爾金斯（AlexWilkins）是《新科學家》雜志的新聞記者，主要報道領域為物理學和相關技術，他對人工智能、量子計算和天文學尤為感興趣