如果埃爾溫·薛定諤著名的思想實驗中的貓按照量子理論執行，它將能夠同時存在於多種狀態：既是死的又是活的。物理學家們對為什麼我們在貓或日常世界的任何其他方面看不到這種量子疊加的常見解釋是環境的干擾。一旦一個量子物體與一個散亂的粒子或一個經過的場相互作用，它就會選擇一種狀態，塌縮為我們經典的日常視角。
但是，維也納大學的研究人員表示，即使物理學家能夠完全隔離處於量子疊加狀態的大型物體，它仍然會塌縮為一種狀態——至少在地球表面是這樣。“在星際空間的某個地方，貓有可能保持量子相干性，但在地球上或任何行星附近，這種希望渺茫，”伊戈爾·皮科夫斯基說。他斷言，原因是引力。
皮科夫斯基及其同事的想法，在6月15日發表於《自然物理學》雜誌的一篇論文中闡述，目前只是一種數學論證。但英國南安普頓大學的實驗物理學家亨德里克·烏布里希特說，實驗者希望測試引力是否真的會使量子疊加坍縮。“這是一個很酷的新想法，我願意嘗試在實驗中看到它，”他說。然而，組裝實現該目的的技術可能需要長達十年的時間，他說。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造當今世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
引力如何使貓坍縮
看過電影《星際穿越》的觀眾已經熟悉了維也納團隊工作背後的基本原理。愛因斯坦的廣義相對論指出，一個極其巨大的物體會導致附近的鐘表執行得更慢，因為其強大的引力場會拉伸時空的結構（這就是為什麼電影中的一個角色在黑洞附近只過了一個小時，而地球上卻過去了七年）。在更微妙的尺度上，一個放置在地球表面附近的分子比放置在稍遠處的分子經歷的時間稍慢。
由於引力對時空的影響，皮科夫斯基的團隊意識到，分子位置的變化也會影響其內部能量——分子內部粒子的振動，這種振動會隨著時間推移而演變。他們認為，如果將一個分子置於兩個位置的量子疊加中，位置和內部能量之間的相關性很快就會導致二元性“退相干”，從而使分子只採取一條路徑。“在大多數情況下，退相干是由外部因素引起的；在這裡，就好像內部的晃動正在與分子本身的運動相互作用，”皮科夫斯基補充道。
一個實際的限制
目前還沒有人看到這種效應，因為退相干的其他來源——例如磁場、熱輻射和振動——通常要強得多，並在引力成為問題之前很久就導致量子系統坍縮。但實驗者很想嘗試。
維也納大學的實驗物理學家馬庫斯·阿恩特已經測試了是否可以觀察到大型（但不是貓大小）物體的量子疊加（見《給薛定諤的貓增肥》）。他將大型分子透過物質波干涉儀，這是一個讓每個分子可以選擇兩條不同路徑的系統。在經典觀點中，一個分子只沿著一條路徑傳播；一個量子分子實際上同時穿過兩條路徑並與自身干涉，從而產生一個特徵的波狀模式（見下圖）。
由構建的量子干涉圖案
稱為酞菁的複雜分子。
參考 3
類似的裝置可用於測試引力破壞量子行為的能力：透過比較一個垂直干涉儀（其中由於一條路徑與另一條路徑的時間拉伸，疊加應很快退相干）和一個水平裝置（其中疊加可以保持）。阿恩特已經測試了多達 810 個原子的分子所產生的效應，他指出，大型分子非常適合測試引力效應，因為它們包含許多有助於內部能量的粒子。但是，研究人員不僅必須進一步抑制外部環境以減少其他退相干效應，還需要將兩條路徑的分離從微米增加到米，或者使用可能質量大 100 萬倍的分子。“這肯定非常具有挑戰性，”阿恩特說。
義大利的裡雅斯特大學的物理學家安吉洛·巴斯說，如果引力的影響確實限制了地球上的量子行為，那麼對大型物體進行量子現實的測試最終可能必須轉移到太空。“但是從一個深刻的、根本的角度來看，這並不是什麼新鮮事，”他說。引力場僅僅是另一個相互作用的環境，因此，即使引力的影響減輕，例如在無重力的空間中進行實驗，呼叫它也無法解釋量子行為是否可能導致經典現實。
皮科夫斯基及其同事描述的效應也沒有說明任何關於量子引力的事情：量子引力是一種將引力和量子力學統一為一個描述的理論，許多研究人員正在為此努力。“這是一個有趣的影響，但它仍然是將量子物理學應用於經典的廣義相對論。從這個意義上說，它並沒有改變我們對世界的看法，”巴斯補充道。
本文經許可轉載，並於 2015 年 6 月 17 日首次發表。