量子世界有多大？

奧地利和瑞士科學家已經成功地將只有100到140奈米寬的奈米粒子冷凍，讓它們幾乎完全進入最低能量的量子狀態，使它們的溫度僅比絕對零度高出幾百萬分之一度，並且可以精確的測量它們的空間位置。

一直以來，研究人員一直在穩步增加粒子的大小，從原子到小分子，然後是大分子……他們希望得到表現出量子效應的粒子能持續到何種尺寸。

宏觀狀態下，每個物體都有自己的位置，我們可以透過座標系統精確地確定一個物體的空間位置。

當進入微觀世界，物質達到量子級別，重力不再起作用，粒子將進入

一個所謂的量子疊加狀態——在測量它們之前，不可能說它們就在它們的位置，它可以在這裡，可以在那裡，也可以在別的地方。

但是當粒子與周圍環境相互作用時，這種量子效應往往很容易受到干擾，因此，隨著物體變大並經歷更多的相互作用，建立疊加狀態會變得困難，這些相互作用幾乎瞬間疊加-坍塌。

量子疊加效應的消失是由於粒子的大小限制？還是因為量子行為與重力不相容（原子和分子可以忽略不小）？

這些問題在量子理論的百年曆史中一直存在的問題。

另一個

與精確測量粒子的空間位置相反的想法是，

對於疊加態的粒子，根本就沒有明確的答案——“位置”的屬性定義不明確。當我們看粒子時，我們怎麼知道粒子是在疊加之前的粒子，還是現在的粒子？

所以，我們不需要精確知道粒子的位置，我們只要知道它們在空間出現的機率即可，就像波一樣，而且可以用波函式數學公式來描述。

當粒子穿過螢幕上兩個狹小的隔縫時，量子干擾最為明顯。如果我們關注粒子到底穿過哪個縫隙，那麼粒子的行為將很像水波，其波功能將同時透過兩個縫隙傳播，從而形成雙峰干涉。但是，如果我們在縫隙放置一個測量裝置來告訴我們每個粒子是否透過它，觀察粒子的路徑，那麼幹擾模式就會消失。

那麼物體尺寸多大時，還能同時表現出波和粒子的性質（簡稱波粒二象性）？

從理論上講，任何大小物質都能表現出波動性和粒子性，但是隨著物種尺寸的增大，物質的波動性不明顯。

1999年，維也納大學的量子物理學家安東·澤林格用碳60進行了雙縫實驗研究這個問題，他們發現一個清晰的干擾模式，證明即使是像C60這樣0。7奈米的分子可以進行干涉試驗。

2011年，量子物理學家馬庫斯·阿恩特和他的團隊對碳基有機分子進行干涉試驗，每個原子最多430個原子，直徑高達6奈米。2019年，他們用大約2000個原子的分子做到了這一點。2020年，他們用生物分子（一種叫做克麥地那A1的天然肽）進行了干涉實驗。他們的目標是每年或兩年將粒子的質量增加10倍，最後用生物進行干涉試驗，探索量子干涉的極限。

馬庫斯·阿恩特實驗室干涉儀的高真空室

現在，量子力學似乎與現代重力理論（愛因斯坦的廣義相對論）不相容。量子世界是離散的和粒子性的，而相對論則把時空描述為平滑和連續。通常情況下，這種不和諧可以忽略，因為量子力學描述尺度非常小的微觀世界，而廣義相對論描述大宇宙天體。如何將極小和極大聯絡在一起，這

是物理學界的一座聖盃，包括霍金在內的幾代物理學家已經為之傾盡畢生心血。

英國數學物理學家羅傑·彭羅斯認為，在中尺度上，當量子理論與廣義相對論相沖突時，後者將獲勝，破壞量子效應。在廣義相對論下，任何具有顯著引力場的物體都會扭曲時空。但是，處於疊加狀態的物質會產生兩個疊加的時空，這是廣義相對論不允許的情況，在此種情況下，重力將作出選擇，只能保留一種情況。那麼在此種情況下，可以監測到粒子重力，產生疊加的粒子重力也在發揮作用。

換句話說，將量子尺度擴充套件到重力起作用的大小，並在波函式坍縮之間觀測到它們，那將是對量子力學本質的巨大發現。

參考文獻：

https：//www。quantamagazine。org/how-big-can-the-quantum-world-be-physicists-probe-the-limits-20210818/