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將一粒灰塵放大一千倍，會發現它似乎突然就不再遵循原有的熟悉規則了。例如，它的輪廓可能開始變得非常不清晰，這是因為我們進入了奇異的量子力學領域。
根據量子物理學，量子粒子可以同時存在於不同的地方。它們也可以表現得像波一樣，在空間中傳播，像池塘表面的水波那樣表現出干涉效應；但與水波不同的是，水波是許多相互作用的水分子的集體行為，而量子波可以只與孤立的單個粒子相關。如果用儀器對這些波狀的量子物體進行探測，又或者如果這個物體以某種方式與周圍的粒子發生了相互作用，它就會失去這種波的特性，表現得像一個粒子。
這種效應已經在光子、電子、中子、原子甚至分子中得到了證實，由此產生了一系列物理學家和哲學家一直試圖解決的問題：這些奇怪的量子效應是如何過渡到我們都熟悉的經典世界的？在什麼尺度上，量子效應就變得不再適用呢？一個能同時既像粒子又像波一樣運動的物體最大能有多大？
這些都是極難回答的問題，因為很難設計出可行的實驗來對這些問題進行探討。而一項新的研究以最直接的方式直面了這些挑戰，那就是用質量越來越大的物體來進行干涉實驗，觀測到了有史以來表現出量子的類波性質的最大物體。實驗細節被髮表在了最近的《自然物理》期刊上。
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新的實驗是有史以來對量子疊加原理進行過的最大規模測試。研究人員通過一種特殊的技術合成了一些巨大的分子，它們由將近2000個原子組成，猶如一些蛋白質的大小一般，質量超過了25000個原子質量單位，是之前記錄的2.5倍。這些高溫、複雜的分子被置於了量子疊加態，以用於進行干涉實驗。
○ 實驗中使用的大分子的藝術構想圖。| 圖片來源：Yaakov Fein / 維也納大學
要證明這些粒子的量子性質，還需要一臺具有基線長達兩米的物質波干涉儀。在實驗中，研究人員將這些分子注入一個長長的管道中，當這些粒子最終擊中一個目標時，它們並不只會像是隨機散落的點那樣，而是會形成一種明暗相間的干涉圖樣，這表明是波相互碰撞並結合在了一起。
這是一個令人難以置信的結果，因為它的實驗設計難度非常高。量子物體是非常脆弱的，它們會通過與環境的相互作用而突然從波的狀態過渡為粒子狀態。物體越大，就越有可能撞到什麼東西，從而觸發這種轉變。
為了讓分子保持波的狀態，研究小組為他們清理出了一條狹窄的通道，他們將管道放置在真空中，用彈簧和制動系統來防止整個儀器發生哪怕是最輕微的抖動。然後，物理學家小心翼翼地控制分子的速度，以確保它們的溫度不會過熱。
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在實驗中，為了弄清理解量子力學是如何轉變成我們通常所能感知到的世界的，研究人員所使用的物體變得越來越大。最終，他們合成了一種化學式為C₇₀₇H₂₆₀F₉₀₈N₁₆S₅₃Zn₄的分子，這是由40000多個質子、中子和電子組成的分子，其
德布羅意波長比一個氫原子的直徑還要小1000倍，它有著足夠堅固的結構，所以它外圍的原子不會在發射過程中脫落。它的核心是一種名為卟啉的化合物，可以吸收綠光作為分子馬達。
○ 使用綠色激光束推動分子通過干涉儀。| 圖片來源：量子納米物理 / 維也納大學
研究人員用綠色激光將分子發射到試管中。這些分子吸收了光的能量然後推動它們前進。接著，這些分子通過一系列間隔為幾納米寬的金屬柵格。柵格能有效地將一個分子分解成多個朝不同方向運動的波，並最終將它們重新組合成干涉圖樣。這是著名的雙縫實驗的一個精心修飾的版本，也是證明物質波動本質的一個里程碑式的實驗，它在一個新的質量尺度上證實了量子現象。
研究表明，在給定的時間長度內，重的粒子是可以維持疊加態的，更重的物體處於波狀狀態的時間會更短。在新的實驗中，研究人員發現這些大分子處於疊加狀態的時間超過了7毫秒，足以為其他量子模型設定新的干涉極限，這一結果為量子力學的一些替代理論作出了更好的約束。
實驗表明，量子力學雖然很奇怪，但也非常強大。未來，研究人員還將繼續用更大的質量規模上重複這項實驗，比如在病毒、細菌，甚至更大的物體上進行這種干涉實驗。量子力學將一個微小的奇異世界植入了我們的世界。通過這些實驗，或許我們能找到連接了這兩個世界的結合點。
參考鏈接：
[1] https://medienportal.univie.ac.at/presse/aktuelle-pressemeldungen/detailansicht/artikel/2000-atoms-in-two-places-at-once/
[2] https://www.wired.com/story/even-huge-molecules-follow-the-quantum-worlds-bizarre-rules/
[3] https://www.nature.com/articles/s41567-019-0663-9
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