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”？
近日，维也纳大学团队在《自然》（Nature）杂志发表了题为“Probing quantum mechanics with nanoparticle matter-wave interferometry”的研究。该实验成功实现了包含超过7,000个钠原子、质量超过160,000 Da（道尔顿）的金属团簇的量子干涉（质量超越大多数蛋白质），创造了有史以来最大的叠加态，为量子与经典的边界探索提供了新的实验材料。
@ 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 @原论文
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 @原论文
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。
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。
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
实验成功的关键在于对“退相干”的压制。根据量子力学互补原理，如果想观察到干涉信息，就需要确保路径信息不被泄露，这对实验提出了以下要求：
1.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。
2.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（蓝色）、经典（蓝色）预言的对比 @原论文
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 @原论文
Arndt团队通过计算宏观性（Macroscopicity）μ 来评估物质复杂度。本次宏观性 μ = 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。
参考文献：
[1]. Pedalino, S., Ramírez-Galindo, B.E., Ferstl, R. et al. Probing quantum mechanics with nanoparticle matter-wave interferometry. Nature 649, 866–870 (2026).
[2]. Bassi, A., Lochan, K., Satin, S., Singh, T. P. & Ulbricht, H. Models of wave-function collapse, underlying theories, and experimental tests. Rev. Mod. Phys. 85, 471–527 (2013).