许久之前，我们就已经观察到诸多粒子存在叠加、纠缠等量子效应，但物理学家正在探索物体的尺寸大到何种尺度后便会失去量子性 。
这个宇宙中最安静的地方之一是英国南部海岸上的一间不起眼的房间。那儿其实是南安普顿大学的一个物理实验室，负责人是亨德里克 · 乌布利希（Hendrik Ulbricht）。为了消除所有可能出现的干扰，研究人员付出了难以想象的巨大努力：一块重达一吨的花岗岩板吸收了除了最轻微的震颤之外的几乎所有振动 ，同时，一座由引力波探测器改造而来的钟摆负责捕捉那些残存的摆动，一台冰箱则将外部空间最深处的温度冷却到了误差范围极小的程度。这一切努力都是为了一个渺茫的希望：回答一个自一个世纪前量子力学诞生以来便一直困扰着物理学家的问题。
在微观量子领域，现实的工作方式似乎与我们熟悉的日常世界（坚实稳定、可以预测）迥然不同。在量子世界中，原本泾渭分明的边界互相交融，物质实体可以在没有物理接触的前提下就深度纠缠在一起。处于叠加态的量子物体似乎可以同时存在于多个位置——至少，如果我们不直接观察它们的话是这样。不过，只要稍有扰动，纠缠就会消失，叠加态就会坍缩——物体越大就越有可能屈服于确定性。
然而，在过去的几年里，科学家的实验能力大幅进步，不只能把像简单粒子这样的微小物体置于叠加态，甚至能把意想不到的大物件也置于叠加状态，其中包括蓝宝石晶体。随着量子效应出现的尺度越来越大，那个谜团也愈发扑朔迷离：在量子世界的微小尺度上占据主导地位的这些怪异量子现象是否存在适用的尺度上限？
目前，全世界的科学家都在做实验寻找这个边界。实验结果有可能填补量子力学创造者留下的理论空白，或许还有助于我们在量子力学建立100多年后重新定义这一重大物理理论的意义。
乌布利希评论埃尔温 · 薛定谔（Erwin Schr?dinger ）在1926年提出的量子力学柱石薛定谔方程时说：“这个方程最初的版本没有任何质量限制。也就是说，你可以把它应用到任何大小、任何质量的物体上。没有任何限制。你唯一需要解决的技术挑战是必须把系统同环境隔绝开来……从根本上说，没有任何其他因素会制约你不断把量子效应应用到更大尺度上。”
多大就太大了？
让我们从单个粒子开始讨论，就比如光子，你肯定能观察到量子效应。这类与光相关的粒子彼此间可以相互纠缠。当两个光子发生纠缠之后，其中一个发生的任何变化都可以在另一个粒子上显现。从著名的双缝实验中，我们知道光子具有波粒二象性，也即可以同时表现出粒子性和波动性。双缝实验的流程很简单，第一步是把一束光打在有两个狭缝的光屏上。如果光仅仅只是粒子，那我们就会看到光穿过光屏后形成两条光带，但事实是，穿过光屏后的光产生了明暗相间的条纹图样。于是，我们便知道了光子受量子规则约束。另外，在某些情况下，多达5个甚至10个粒子也能产生像叠加这样的量子效应，但500个粒子可以吗？5亿个呢？
英国贝尔法斯特女王大学的莫罗 · 帕特诺斯特罗（Mauro Paternostro）说：“到目前为止，量子力学是人类描述自然最成功的数学框架，但从形式上看，它似乎完全不限于微观尺度。”
实际上，事实证明，检验量子效应的适用尺度是否存在某个阈值以及这个阈值具体如何（如果确实存在的话）是个极为艰巨的任务。虽然量子世界本身可能确实变幻莫测，但它很容易通过一种被称为“退相干”的效应坍缩成某种更具体、更经典的事物。举例来说，只要以某种方式让某个系统外的粒子触碰量子物体，后者的怪异量子特性就会消失。
为了找出其中的原因，物理学家首先需要确定量子坍缩是否仅仅由环境干扰引起，还是有某种更为深层的因素在发挥作用。乌布利希说：“我们必须在极为特殊的条件下做这类极端实验，只有这样才能摒除环境因素的影响，检验是否存在更为基本的效应。”
如果有什么更为怪异的东西破坏了我们在小尺度上看到的量子特性，这种东西可能与引力同量子力学的相互作用方式或是暗物质塑造量子世界的路径有关。另外，这种东西也可能来自量子真空本身——寿命极其短暂的粒子突然出现，然后又突然消失，但它们存在的这点时间已经足以撼动一切。
我们有充分的理由怀疑，这类极端实验是否存在终点，还是只是一段无限探索之旅中的一部分，只有当物理定律告诉我们不能再走下去时探索才会结束。一种观点认为，我们生活在量子世界中，所以量子效应应该无处不在。
不过，这类实验确实有自己的目标。从20世纪80年代开始，物理学家就开始提出各种理论解释在没有环境因素驱动的情况下量子态为何及何时坍缩（也即“波函数坍缩”）。这些理论统称为自发坍缩模型。奥地利维也纳大学的马库斯 · 阿恩特（Markus Arndt）说，虽然这些理论的基础并不是对自发坍缩现象的任何观测结果（因为我们目前还完全没有观测到这个现象），但自发坍缩模型确实可以预测自发坍缩发生的具体时间。
举个例子，自发坍缩模型中的先行者，也是研究最为广泛的一大理论吉拉尔迪-里米尼-韦伯模型（GRW模型）认为，直径在1微米左右的粒子仍应该会发生坍缩。然而，在很长一段时间内，试图捕捉自发坍缩现象的实验都是在远低于GRW模型预测的尺度上测量量子效应。最近这些年，情况有了变化，技术进步意味着包括乌布利希和阿恩特在内的诸多相关研究团队都开始进入未知领域。
意大利的里斯雅特大学的安杰洛 · 巴锡（Angelo Bassi）说：“坍缩模型引导你寻找最有效的实验，而不是漫无目的地为了实验而实验。”然而，量子特性以许多迥然不同的方式出现，所有搜寻量子边界的猎人正在从各种角度解决这个问题，这可以帮助我们确切知晓量子物理定律是怎么应用到我们所在的日常世界的。
2019年，阿恩特和他的同事打破了所谓“宏观性”的尺度纪录。所谓“宏观性”，是一种测量并比较各种量子效应尺度测试的方法。宏观性解释了很多因素，比如：处于量子态的原子数量、这些原子的质量以及它们处于叠加态的时间长度。阿恩特团队的实验成功地在由成千上万个有机化合物构成的多个团块之间实现了量子干涉，总尺度相当于一个小蛋白质。
自那之后，研究人员就在无数方向上拓展了量子世界的边界。2023年，瑞士苏黎世联邦理工学院的研究人员成功将一块质量为16微克的蓝宝石晶体置于叠加态。2024年，这个学校的另一个研究团队则用实验证明，一个包含数十亿个原子、尺度为100纳米的玻璃珠具有波动性。此外，研究人员还对更为复杂的量子态做了实验，比如：瑞士巴塞尔大学的一个研究小组成功让两个均含有700个铷原子的物体进入纠缠状态。简单比较上述这些实验中的物体大小会误导不明就里的读者，因为这些实验测量的其实是量子特性的不同方面。不过，尽管有这样那样的差异，这些实验都是我们认识量子特性产生方式的必由之路。
乌布利希说：“我们不能只做一个实验，而是要在不同实验室里做大量实验探索相同的物理学目标。这点很重要，因为只有这样，你才能在得到结果后明确知道那不是人为因素导致的。”
2024年12月，第一届薛定谔的猫大会在日本冲绳举办。在大会的交流过程中，人们明确认识到了这类实验数量激增。在这次大会上，全世界研究宏观尺度量子物理学的科学家济济一堂，只为探寻他们究竟能把薛定谔的猫这种量子态做得多大。薛定谔的猫这个名字来自那个著名思想实验，在那个实验中，我们不能判断盒子内的猫究竟是死是活，因为它处于生、死两种状态的叠加态。阿恩特说：“研究薛定谔的猫能有多大的科学家团体正在不断壮大，现在已经有了相当规模。10年前，研究这个问题的科学家并不很多，而现在大家都明白了这个问题的重要性。”
下一代相关实验——其中一部分已经在进行中——会进一步助力我们验证自发坍缩模型的预测结果，甚至可以说，这个目标的实现已经近在咫尺。举例来说，乌布利希和他的团队目前正在英国南安普顿大学的超静音室内展开一项实验，目标是让一个直径20纳米（相当于人类头发直径的数千分之一）的硅球进入叠加态。为实现这个目标，研究人员必须极其精准地控制硅球。为此，他们使用功率强大的激光让硅球悬浮起来，同时将环境影响降低到微乎其微的程度。
阿恩特说，这一切之所以能成为现实，都得益于技术的飞速进步，比如更强大、更复杂的激光系统。正是因为这些之前没有的尖端技术，我们才能在实验室内精准控制目标。阿恩特和他的同事将在2025年晚些时候正式发表他们的研究成果，这无疑也将进一步推动这一研究领域的发展。
乌布利希则坦承，总的来说，这类实验仍然比GRW模型预测的自发坍缩尺度上限小几个数量级，但我们比之前任何时候都更接近实现这个目标。另外，如果自发坍缩的尺度可以超越我们之前预测的边界，那么这个结果很可能会彻底改写我们对量子极限的认识。
边界猎手
量子世界是出了名地神秘，因为我们一旦观察，它的那些神秘且怪异的特征就会消失。也许，搜寻量子世界边界的猎手们永远都无法直接捕获量子特性消散的阈值。于是，巴锡和他的同事开始采取另一种方式捕捉量子坍缩的过程：一种窃听的技巧。
意大利格兰萨索山脉之下，厚达1千米的岩石成了天然屏蔽物——为了达到同等的屏蔽效果，乌布利希和阿恩特可是大费周章——巴锡和他的同事就在那里寻找高能X射线的蛛丝马迹。按照某些观点，高能X射线可能是波函数自发坍缩的标志性迹象。这类实验的第一批结果缩小了可以验证上述理论是否正确的X射线能量范围，但巴锡更希望能看到一些意想不到的结果。
乌布利希说，如果我们确实发现了某些无法解释的间接量子坍缩迹象，那么就必须调整现有的量子力学理论。在量子力学诞生100年后，我们终于发现了它盔甲上的裂缝。乌布利希表示：“这意味着量子力学并不是终极理论，它一定也需要某些修正。”
此外，表明坍缩正在发生的信号也能证实乌布利希和帕特诺斯特罗的实验没有走错方向。乌布利希称，他们的实验有望在10到15年内达到GRW模型预测的量子边界尺度，并找到自发坍缩的证据——当然前提是存在自发坍缩。不过，帕特诺斯特罗也提醒说，不论他们最后得到了什么结果，要保证这些结果在大量测试中都成立，难度都要比发现本身大得多。他说：“我们必须在合适的参数范围内设计出极为细致且精确到极致的实验环境，使其匹配不断上升的质量尺度，匹配不断上升的粒子数量。这些都会让精确控制这类量子实验变得极为困难。”
对于这些志在寻找量子世界和经典世界界线的物理学家来说，技术似乎是一个极为重要的限制因素。随着技术的进步，这些研究人员的努力或许会证明，这条边界并不是现实的某个特征，而是我们探索现实的能力的极限。在量子世界中，就像在我们生活的经典世界内一样，在任何可以想象的尺度上，都应该有纠缠、叠加以及其他量子效应的迹象。
巴锡认为，大多数物理学家都接受了这样一种假设：只要能够充分控制环境影响因素，我们便能制造出各种尺度的量子系统，不受任何限制。然而，证明这个假设恰恰才是最困难的。
资料来源 New Scientist
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本文作者亚历克斯·威尔金斯（Alex Wilkins）是《新科学家》杂志的新闻记者，主要报道领域为物理学和相关技术，他对人工智能、量子计算和天文学尤为感兴趣
