探索量子与经典的边界：首次测到7000量子干涉

当量子力学的奠基者们提出粒子具有波粒二象性时，一个根本性的问题却始终悬而未决：量子效应究竟在何处终止？微观世界与宏观世界之间，是否存在一个清晰的分界线？

2026年1月21日，来自奥地利的Markus Arndt团队在《自然》杂志发表研究，报告称由超过7000个原子组成、质量超过17万道尔顿（Da）的纳纳米粒子同样展现出物质波干涉现象。这一结果将量子效应的可观测尺度推向新的极限。

图源：Unsplash / Michael Dziedzic

从百年前的双缝干涉实验，到现如今原子重力仪的发展，量子力学为我们描述了一个“粒子也是波、波也是粒子”的微观世界。在这里，有质量的电子、中子也可以像光波一样相互叠加，形成纷繁的干涉图样。

不过，身处宏观世界的我们观察到的小球、石子等却没有出现这样的物质干涉——他们遵循的是经典力学，每时每刻都有明确的位置和可预测的运动轨迹。这条量子和经典间的巨大鸿沟，究竟是因为环境干扰导致的“退相干”，还是量子力学在高于某个质量尺度上存在修正？究竟多少原子的物体可以被称作“宏观”？

? Nature

物质波：极短波长的挑战

1935年，物理学家薛定谔提出著名的“猫”思想实验，指出如果量子力学适用于一切尺度，那么宏观物体也应能处于叠加态（比如猫也可以处在既死又活的未定状态）。

然而，现实中的宏观物体却没有表现出叠加、干涉等量子特性。部分科学家认为，当物体尺寸超过一定程度后，会因为环境干扰（即“退相干”）而失去量子特性，从而失去量子叠加态的能力。但量子世界和经典世界之间的这条界线是否真的存在，一直悬而未决。

? 薛定谔的猫

为回答这个问题，研究人员需要研究更加宏观物体的量子干涉效应，而这一想法具有天然的困难：量子干涉的物理基础源于德布罗意的物质波假说，即任何粒子都具有波动性，其波长 λ与动量p成反比（λ = h/p）。对动量较小的微观粒子，其物质波长相对较大，易于相互交叠、进而观测到干涉。然宏观物体的物质波长会迅速缩减。

本实验里160,000 Da的钠团簇在实验速度下的德布罗意波长仅为皮米（10?12 m）量级，比团簇自身的几何直径还要小得多。要在如此微小的波长下观测到相干效应，实验装置必须要保持极高的稳定性。

材料选择：钠纳米团簇

与此前物质波实验常用的富勒烯（C60）或大分子有机链不同，Arndt团队选择了钠（Sodium）纳米团簇，这类团簇在质量和尺度上，已接近部分病毒颗粒。

钠团簇、IgG抗体、卫星病毒 尺寸比较。? Nature

此外，钠团簇由数千个钠原子通过金属键结合，具有密集的电子能级，其物理性质接近固体，具备一定的宏观性质。

干涉观察：塔伯特-劳干涉仪

如下图，研究人员通过光学塔伯特-劳干涉仪（OTLI）实现对钠团簇的干涉观察，该干涉仪由一系列激光驻波形成的三道衍射光栅组成：

实验设置示意图。? Nature

1. 第一道光栅

将纳米粒子限制在驻波的节点处通过，根据不确定性原理，这为粒子赋予了足够的横向空间相干性。

2. 第二道光栅

当钠团簇穿过驻波时，光场的势能会像透镜一样调制粒子的相位，实现光栅的功能。

3. 第三道光栅

在特定的“塔伯特距离”处，干涉效应会导致粒子密度在空间上呈现周期性分布。通过移动探测器位置并记录粒子数，研究者可以勾勒出干涉条纹，进而判断钠团簇是否处于量子态。

实验关键：严苛的环境控制与退相干压制

超高真空：背景气体的碰撞会“定位”粒子，从而破坏干涉。本实验在优于10?9 mbar 的超高真空中进行。

热辐射：团簇自身带有热量。如果粒子在飞行中辐射出一个红外光子，这个光子就携带了路径信息。研究团队通过精确控制团簇的生成温度和飞行时间，将热辐射退相干限制在可接受范围内。

在历经了两年的辛苦调试后，研究人员终于发现了干涉信号（如下图），从而证实了在7000个原子的巨大尺度上，量子力学仍然成立。

左：实验观测到的干涉条纹；右：数据点与量子（红色）、经典（蓝色）预言的对比。? Nature

追问： 量子力学的边界

这项实验的深远意义在于它对量子力学修正理论的限制。物理学界有一些理论（如CSL自发坍缩模型）预言[2]，当物体的质量或复杂度超过某一阈值时，薛定谔方程将不再保持线性，波函数会自发坍缩。

宏观性（Macroscopicity）对比图：本次实验（红星）超过以往所有物质干涉实验。? Nature

Arndt团队通过计算宏观性（Macroscopicity）来评估物质复杂度。本次宏观性 = 15.5的实验中没有发现自发坍缩的迹象。这有力地排除了一大片坍缩模型的参数空间，将量子力学的有效范围推向了更广阔的宏观领域。未来，团队计划将实验对象进一步扩展至病毒等大型生物体系。

此外，该研究不仅是量子基础检验的一次重大进展，未来其干涉图样也可以作为高灵敏探针，去探索微弱而难以测量的物理作用力。