史上最美物理实验再获突破，科学家们已持续探索200年

2026-09-24公众号文章

2026年1月，维也纳大学团队把由五千到一万个钠原子结成的金属团簇送进了干涉仪，结果令人意外又熟悉，干涉条纹依然出现，量子力学再次“胜出”。这项发表在《自然》上的成果，把物质波干涉的质量纪录推到了新高度。两百多年来，从托马斯·杨的一束阳光，到单个电子、大分子，再到接近纳米器件尺度的“微型金属块”，物理学家不断挑战同一个问题：量子世界的规则，究竟能延伸到多大？到2026年，这场跨越两个世纪的追求，仍在不停刷新纪录。

本文收录于合集前沿追踪

撰文 | 陈小美

量子力学说，一个粒子可以同时走两条路。

验证这件事的方法出奇简单：在粒子前面放两条缝，看它穿过去之后会不会和自己发生干涉。如果屏幕上出现了明暗交替的条纹，说明粒子确实同时走了两条路。量子力学用“概率幅”描述每条路径的可能性，两条路的概率幅像波一样叠加，相互加强或抵消，就产生了条纹。

这听起来像是一个简单的是或否的问题，但物理学家花了两百年回答它。尽管答案一直没变，问题却一直在变。最初问的是光是不是波，后来问的是单个粒子能不能与自己干涉，再后来问的是量子力学适用于多大的东西。

维也纳大学的多尺度团簇干涉实验（MUSCLE）装置。研究团队在这里让由数千个钠原子组成的纳米团簇呈现物质波干涉。| 图源：S. Pedalino / 维也纳大学

1803年，英国人托马斯·杨（Thomas Young）用光做了这个实验，条纹出来了。此后两百年，物理学家一代接一代地用新的装置追问同一个问题。先是证明这种行为是真的：把光减弱到极弱，条纹还在；换成电子，一次只发一个，条纹还在。

然后问题变了：量子力学管得了多大的东西？从一个分子到含几百个原子的大分子，再到含七千个原子的钠纳米团簇，每做一次条纹都还在。答案一直没变过：管得了。

一英里外的一支蜡烛

双缝实验最初和量子力学没有关系。

1801年，英国医生兼博物学家托马斯·杨在皇家学会的贝克讲座（Bakerian Lecture）上系统阐述了光的干涉原理。1803年，他做了一个更简洁的实验：让阳光穿过一个针孔，再用一条窄纸卡劈开光束，从纸卡两侧绕过的光在墙上投出了明暗交替的条纹。

严格说，杨当年的装置还不是后来教科书里的那两条平行狭缝，而是用一条窄障碍物把同一束光劈成两路。它验证的是干涉原理本身：两束来自同一光源的光相遇，会互相加强或抵消。两条狭缝的经典形式，是后来才定型的。

杨的实验为光的波动说提供了关键支持，和当时占统治地位的牛顿微粒说正面冲突。

这种立场是有代价的。1803年，后来成为政治家的亨利·布鲁厄姆（Henry Brougham）在《爱丁堡评论》上匿名撰文，攻击杨1801年那篇光学理论的讲座论文“一无是处”（destitute of every species of merit）。据杨的友人乔治·埃利斯（George Ellis）后来转述，一名书商原约定以一千英镑购买杨讲义的版权，看到评论引发的嘲讽后，提出解除约定。

托马斯·杨肖像。| 图源：Wikimedia

一百年后，问题升级了。

1905年爱因斯坦提出光量子假说，光重新有了“粒子”的面貌。如果光真的是一粒一粒的，那当光弱到极致的时候，干涉条纹还会不会出现？

1909年，剑桥大学22岁的学生杰弗里·泰勒（Geoffrey Ingram Taylor）在J. J. 汤姆孙的建议下报告了一项实验。他用烟熏玻璃层层减光，最后把光源减弱到相当于“在一英里以外点一支蜡烛”，然后拍摄一根针的衍射条纹。最长的一次曝光持续了三个月。底片冲洗出来，条纹的清晰度和强光下的没有区别。

泰勒后来成了流体力学领域的大家，这只是他学生时代一篇两页的短文。泰勒当年用的并非现代意义上的单光子源，但他的实验第一次表明，即使光弱到在任一瞬间几乎不存在，干涉依然会发生。后来的物理学家从量子力学的角度重新理解了这个结果，保罗·狄拉克（Paul Dirac）给出了那句著名的概括：“每个光子只与自己干涉。”

既然光做到了，那物质呢？

电子也可以

1924年，法国物理学家路易·德布罗意（Louis de Broglie）提出假说：一切物质粒子都具有波动性。1927年，戴维森（Clinton Davisson）和革末（Lester Germer）用晶体衍射证实了电子的波动性，但那不是双缝实验。要用真正的缝来做，技术上极其困难。

1955年，图宾根大学的戈特弗里德·默伦施泰特（Gottfried Möllenstedt）和海因里希·迪克尔（Heinrich Düker）发明了电子双棱镜。原理是给一根极细的导线加上正电压，导线周围的静电场会把经过两侧的电子束朝中间偏转，在后方重叠，效果等同于电子穿过了两条“虚拟的缝”。据《物理世界》的历史回顾，默伦施泰特早期用的细丝是镀了金的蜘蛛丝。

1961年，默伦施泰特的学生克劳斯·约恩松（Claus Jönsson）更进一步，在铜箔上制出宽度只有零点三微米的真缝，最多做到五条缝同时干涉。论文发在德文期刊《物理学杂志》（Zeitschrift für Physik）上。

同年，理查德·费曼（Richard Feynman）开始在加州理工讲授那门后来结集为《费曼物理学讲义》的课程。他在第三卷第一章用双缝实验说明量子行为的核心，写下了那句被引用无数次的话：“它包含唯一的奥秘。”在随后讨论电子的部分，他又说：“我们得马上说清楚，你们不要去尝试搭这个实验……装置得做得小到不可能。”

费曼描述的是一个理想化的装置：真正的双缝、单个电子、完整的统计累积。他也明确说过，已有许多不同尺度的实验验证了相关效应。据《物理世界》2002年的历史回顾，费曼开课那年是否知道约恩松已经发表了真缝实验，至今没有定论。

13年后的1974年，约恩松的论文终于被翻译成英文，发表在《美国物理杂志》（American Journal of Physics）上。编辑称它是“伟大的实验”（great experiment），随即补了一句：做这类“真实的、教学上干净的基础实验”，“几乎没有职业回报”。

但约恩松送的是一束电子同时穿过缝。下一个问题是：一次只送一个呢？

1974年，意大利博洛尼亚的三位物理学家皮耶尔·乔治·梅尔利（Pier Giorgio Merli）、詹弗兰科·米西罗利（GianFranco Missiroli）和朱利奥·波齐（Giulio Pozzi）在米兰大学解剖学研究所的实验室里，用那里的像增强器配上一台西门子Elmiskop 101电子显微镜，做了单电子干涉实验。

电子一个一个地穿过双棱镜，干涉条纹在屏幕上一个点一个点地长了出来。他们和同事把过程拍成16毫米影片。论文两年后发在《美国物理杂志》上。

1989年，日本日立公司的外村彰（Akira Tonomura）团队在远更精确的条件下重做了这个实验：每秒发射不到1000个电子，全程保持恒定的极低强度，确保装置内同时存在两个电子的概率可以忽略。干涉条纹在屏幕上一个点一个点地长了出来，和博洛尼亚的发现一样，但条件控制严格得多。

2005年，外村彰团队用改进后的设备重新拍摄了这一过程，留下了那组被广泛引用的连续画面。最初屏幕上只有几个散乱的亮点，像随机洒落的雨滴。随着电子一个个累积到数千、数万，规则的明暗条纹逐渐浮现。没有人指挥这些电子排队，每一个都是独自穿过装置的。

外村彰团队2005年发表的单电子干涉连续画面，四幅依次记录10、200、6000和140000个电子的累积结果；离散亮点最终显出干涉条纹。| 图源：Wikimedia

2002年，英国《物理世界》（Physics World）杂志发起投票，单电子双缝干涉被选为“史上最美的物理实验”。随附的历史回顾把这一里程碑归给了1989年日立的实验，没有提到1974年的博洛尼亚实验。布里斯托大学的约翰·斯蒂兹（John Steeds）率先致信指出博洛尼亚实验在先，博洛尼亚三人和外村彰随后也在杂志上公开回应。博洛尼亚三人认为他们才是最先做出单电子干涉实验的团队，写道：“科学史不只属于大科学家和大机构。”外村彰承认博洛尼亚团队在先，但指出日立实验全程保持极低的电子发射率，对“同时存在多个电子”的排除更为严格。

不过当时两支团队用的都是电子双棱镜，不是真正的双缝。2013年，美国内布拉斯加大学林肯分校的罗杰·巴赫（Roger Bach）等人把真缝、单电子和可移动的遮罩组合在一起，论文自称实现了“费曼思想实验的完整版本”：真正的缝、真正的单个电子，还可以随时遮住其中一条缝，对比单缝和双缝的分布。

费曼当年劝学生不要搭建的那个理想化实验，被一步步实现了。但到这一步为止，追问的始终是同一个层级的问题：单个粒子能不能干涉？能。下一个问题完全不同：量子行为能管多大的东西？

量子力学的尽头在哪？

1999年，维也纳大学安东·蔡林格（Anton Zeilinger）领导的量子光学团队中，马库斯·阿恩特（Markus Arndt）等人首次让碳60分子穿过光栅产生了干涉条纹。碳60由60个碳原子组成，质量超过电子的一百万倍。

此后二十多年，维也纳的这条研究路线不断刷新纪录。从碳60到碳70，再到包含数百个原子的有机大分子，每一次新纪录都把量子行为的已知边界向更大的尺度推了一步。问题的赌注也随之升高：量子行为有没有天花板？干涉条纹会不会在某个质量处消失？

碳60分子由60个碳原子组成，形状近似足球。1999年，维也纳团队首次观测到这种分子的物质波干涉。| 图源：Wikimedia

为什么要一直做大？因为一类被称为“坍缩模型”的理论预言，量子叠加在宏观尺度上会自发消失：物体的质量越大，传播的时间越长，干涉条纹就应该越弱。如果在排除了所有已知退相干因素之后，干涉条纹仍然在某个质量消失了，就意味着标准量子力学需要修正。这将是通向新物理的关键线索，可能帮助我们回答一个根本性的问题：经典世界从哪里来？为什么你面前的桌子有一个确定的位置，而不是处于不同位置的量子叠加？薛定谔的猫是这个问题最著名的版本：一只猫怎么可能同时是活的和死的？

这不只是一个哲学问题。物理学最大的未解难题之一，就是量子力学和广义相对论无法兼容：前者描述微观世界，后者描述引力和时空弯曲，两套理论各自极其成功但无法合并。一些物理学家猜测，量子行为在大尺度上的消失可能与引力有关。如果这类猜测成立，找到量子力学失效的那条线，有可能为理解量子力学与引力的关系提供实验线索。

说起来简单，做起来极难。粒子越大，通常越难与环境隔绝。空气分子的碰撞、热辐射的泄露，都会让粒子和环境纠缠在一起，抹去干涉，物理学家把这个过程叫做“退相干”（decoherence）。地面的微小振动则是另一类麻烦，它让条纹本身漂移、被平均掉。要在大粒子身上看到干涉条纹，就得把这些干扰压到极低，实验条件每升一级，难度都在急剧增长。

2026年1月，维也纳团队发表在《自然》（Nature）上的结果把这条边界又推远了一大步：他们把五千到一万个钠原子结成的金属团簇送进了干涉仪。这些团簇的平均质量约17万道尔顿，直径约8纳米，和现代晶体管的结构尺度相当。

要让这么大的粒子表现出量子行为，实验条件极端苛刻。据研究团队介绍，整套干涉仪架在一张数吨重的气垫悬浮台上隔绝振动，真空室的气压降到大气压的千亿分之一以下，避免残余气体分子碰撞团簇。团簇在液氮温度（77开尔文，约零下196摄氏度）下生成，足够冷才能抑制热辐射，不让团簇因辐射泄露自己的位置信息。

虽然严格意义上这不是真正的双缝实验，维也纳团队用的是三道紫外激光光栅构成的近场干涉仪，原理和杨氏双缝不同，但它验证的是同一件事：一个物体在飞行中处于量子叠加态，它的量子态同时覆盖了不止一条路径。

根据论文介绍，这些团簇在飞行中“同时处于”相距133纳米的两个位置，这个距离超过自身直径的十倍以上。第一作者、博士生塞巴斯蒂安·佩达利诺（Sebastian Pedalino）说：“直觉上，你会以为这么大一块金属应该像经典粒子一样行动。它仍然产生干涉这个事实表明，量子力学在这个尺度上依然成立，不需要替代模型。”

2026年钠纳米团簇物质波干涉实验概览。三道紫外光栅在Talbot–Lau构型中依次制备相干、调制相位并读取干涉条纹；下方为MUSCLE装置布局。| 图源：Pedalino et al. / Nature（2026）

这个实验的“宏观性”（macroscopicity）指标达到了μ=15.5。这是一个对数指标，每高出1，对修正理论的排除力度就强十倍；论文称，它比此前所有实验高出一个数量级。据研究团队的说明，电子要维持量子叠加大约一亿年，才能达到同等的检验强度；而这些金属团簇只用了大约百分之一秒。在这个尺度上，坍缩模型预言的干涉减弱并没有出现。

标准量子力学又赢了一局。

维也纳团队没打算停下来。他们在新闻稿中表示，计划在未来几年内将纪录再提升几个数量级，用更大的物体和其他种类的材料继续测试。改进后的干涉仪本身也在产生意外收获：它同时是一台极灵敏的力传感器，能够测量10的负26次方牛顿量级的力，为精密测量开辟新用途。

反过来说，如果始终找不到那条线，意味着我们最成功的物理理论比所有人预想的都更坚固。

找到那条线是一种答案，找不到也是。前者意味着标准量子力学存在适用边界，物理学需要一套更大的理论来接手；后者则把一个近百年的理论框架推向更坚固的地位。

质量不是唯一的边界。2025年7月，麻省理工学院的沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle）团队走了一条不同的路：他们把上万个超冷的锂原子或镝原子用激光排成规则晶格，再让极弱的光照在上面。一个光子是被相邻两个原子中的哪一个散射出去的，原则上无法区分，这两个原子就充当了双缝。克特勒说，这些单个原子“就像你能造出的最小的缝”。这是一次高度理想化的双缝实验，追问的是概念的纯度。

2026年8月，华南师范大学朱诗亮团队又打开了另一个维度。费曼1948年提出的路径积分理论说，一个粒子从A到B不是只走一条路，而是同时走所有可能的路径，最终结果由全部路径的概率幅叠加而成。朱诗亮团队用单光子逐点测量它在不同位置出现的概率幅，据此重建出超过140万条费曼路径，直接检验了这套理论的两条基本公设。论文同时指出，“所有路径是物理实在还是计算工具”仍需更精细的方法来回答。

双缝实验在21世纪仍在用不同的方式追问量子力学的边界。

费曼在讲义里写下“这个实验从来没有以这种方式做过”，那是1960年代初的实情。此后几十年，那幅理想图景的每一个部件被陆续做了出来：真正的缝，一次一个的电子，完整的累积。

费曼在同一堂课上说的另一句话倒是一直没错：它包含唯一的奥秘。那个奥秘两百年来没有人解开，只是一次比一次看得更清楚。下一个等着上场的，是更大的物体。

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