如果埃尔温·薛定谔著名的思想实验中的猫按照量子理论运行，它将能够同时存在于多种状态：既是死的又是活的。物理学家们对为什么我们在猫或日常世界的任何其他方面看不到这种量子叠加的常见解释是环境的干扰。一旦一个量子物体与一个散乱的粒子或一个经过的场相互作用，它就会选择一种状态，塌缩为我们经典的日常视角。
但是，维也纳大学的研究人员表示，即使物理学家能够完全隔离处于量子叠加状态的大型物体，它仍然会塌缩为一种状态——至少在地球表面是这样。“在星际空间的某个地方，猫有可能保持量子相干性，但在地球上或任何行星附近，这种希望渺茫，”伊戈尔·皮科夫斯基说。他断言，原因是引力。
皮科夫斯基及其同事的想法，在6月15日发表于《自然物理学》杂志的一篇论文中阐述，目前只是一种数学论证。但英国南安普顿大学的实验物理学家亨德里克·乌布里希特说，实验者希望测试引力是否真的会使量子叠加坍缩。“这是一个很酷的新想法，我愿意尝试在实验中看到它，”他说。然而，组装实现该目的的技术可能需要长达十年的时间，他说。
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引力如何使猫坍缩
看过电影《星际穿越》的观众已经熟悉了维也纳团队工作背后的基本原理。爱因斯坦的广义相对论指出，一个极其巨大的物体会导致附近的钟表运行得更慢，因为其强大的引力场会拉伸时空的结构（这就是为什么电影中的一个角色在黑洞附近只过了一个小时，而地球上却过去了七年）。在更微妙的尺度上，一个放置在地球表面附近的分子比放置在稍远处的分子经历的时间稍慢。
由于引力对时空的影响，皮科夫斯基的团队意识到，分子位置的变化也会影响其内部能量——分子内部粒子的振动，这种振动会随着时间推移而演变。他们认为，如果将一个分子置于两个位置的量子叠加中，位置和内部能量之间的相关性很快就会导致二元性“退相干”，从而使分子只采取一条路径。“在大多数情况下，退相干是由外部因素引起的；在这里，就好像内部的晃动正在与分子本身的运动相互作用，”皮科夫斯基补充道。
一个实际的限制
目前还没有人看到这种效应，因为退相干的其他来源——例如磁场、热辐射和振动——通常要强得多，并在引力成为问题之前很久就导致量子系统坍缩。但实验者很想尝试。
维也纳大学的实验物理学家马库斯·阿恩特已经测试了是否可以观察到大型（但不是猫大小）物体的量子叠加（见《给薛定谔的猫增肥》）。他将大型分子通过物质波干涉仪，这是一个让每个分子可以选择两条不同路径的系统。在经典观点中，一个分子只沿着一条路径传播；一个量子分子实际上同时穿过两条路径并与自身干涉，从而产生一个特征的波状模式（见下图）。
由构建的量子干涉图案
称为酞菁的复杂分子。
参考 3
类似的装置可用于测试引力破坏量子行为的能力：通过比较一个垂直干涉仪（其中由于一条路径与另一条路径的时间拉伸，叠加应很快退相干）和一个水平装置（其中叠加可以保持）。阿恩特已经测试了多达 810 个原子的分子所产生的效应，他指出，大型分子非常适合测试引力效应，因为它们包含许多有助于内部能量的粒子。但是，研究人员不仅必须进一步抑制外部环境以减少其他退相干效应，还需要将两条路径的分离从微米增加到米，或者使用可能质量大 100 万倍的分子。“这肯定非常具有挑战性，”阿恩特说。
意大利的里雅斯特大学的物理学家安吉洛·巴斯说，如果引力的影响确实限制了地球上的量子行为，那么对大型物体进行量子现实的测试最终可能必须转移到太空。“但是从一个深刻的、根本的角度来看，这并不是什么新鲜事，”他说。引力场仅仅是另一个相互作用的环境，因此，即使引力的影响减轻，例如在无重力的空间中进行实验，调用它也无法解释量子行为是否可能导致经典现实。
皮科夫斯基及其同事描述的效应也没有说明任何关于量子引力的事情：量子引力是一种将引力和量子力学统一为一个描述的理论，许多研究人员正在为此努力。“这是一个有趣的影响，但它仍然是将量子物理学应用于经典的广义相对论。从这个意义上说，它并没有改变我们对世界的看法，”巴斯补充道。
本文经许可转载，并于 2015 年 6 月 17 日首次发表。