世界上幾乎所有的現(xiàn)象，原則上都可以用量子力學(xué)的法則來描述。比如，不論是宇宙大爆炸時(shí)的粒子反應(yīng)，還是生活中的化學(xué)反應(yīng)，都可以用量子力學(xué)描述成不同粒子間的碰撞和散射。

　　雖然這種說法看上去很簡單，但是實(shí)際操作起來卻寸步難行。因?yàn)榇蟛糠址磻?yīng)都涉及很多不同種類的原子，有的原子還會(huì)結(jié)合成分子，它們之間的作用力相互疊加以后，會(huì)變得非常復(fù)雜，物理學(xué)家很難搞清楚其中的細(xì)節(jié)。

　　怎么辦？

　　一、問題搞不定，就把問題簡化

　　當(dāng)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題很難搞定的時(shí)候，通常都會(huì)對它進(jìn)行大幅簡化。

　　比如，有的物理學(xué)家會(huì)想，我們不要一開始就研究那么多粒子，不如先研究一小撮兒最簡單的原子，讓它們來模擬那一群亂七八糟的粒子。

　　你可能覺得這種簡化有點(diǎn)兒過頭，不過不用著急。反正復(fù)雜的問題他們也搞不定，無論如何，只能先試著搞一搞簡單的。物理學(xué)家認(rèn)為，只有先把簡單的問題搞定了，將來才能一步一步往里添加細(xì)節(jié)，讓它慢慢還原成最初那個(gè)復(fù)雜的問題。

　　其實(shí)，這種僅僅把粒子種類變少，數(shù)量變少的手段還是不夠簡化，其結(jié)果還是會(huì)很難計(jì)算。因?yàn)樵谕ǔ５臏囟认拢訒?huì)進(jìn)行各種混亂的熱運(yùn)動(dòng)。這種混亂的熱運(yùn)動(dòng)別說計(jì)算了，物理學(xué)家連每一個(gè)原子在哪個(gè)地方、運(yùn)動(dòng)速度多快都說不清楚。

　　于是，物理學(xué)家只好進(jìn)一步簡化問題。他們會(huì)把那一小撮兒原子冷卻到絕對零度附近，讓它們不要亂跑亂動(dòng)，盡量老老實(shí)實(shí)地原地待著。此時(shí)，原子就像踢正步的士兵一樣，行動(dòng)會(huì)變得整齊劃一，而且會(huì)服從指揮。同時(shí)，原子之間的作用力在實(shí)驗(yàn)中會(huì)變得清晰可見，在理論中的計(jì)算難度也會(huì)大幅降低。

　　這就是物理學(xué)家特別喜歡研究的：

　　總結(jié)一下，超冷原子氣體是一種簡化的物理模型，就好比生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的果蠅和小白鼠。通過研究它，物理學(xué)家希望自己能逐漸搞清楚更復(fù)雜的量子現(xiàn)象（比如大爆炸時(shí)的粒子反應(yīng)）。

　　二、簡化過頭也不行

　　超冷原子氣體確實(shí)給物理學(xué)家提供了很大幫助，但在大爆炸的問題上，這個(gè)模型好像有點(diǎn)兒簡化過頭了。

　　這是因?yàn)椋诂F(xiàn)實(shí)世界的物理現(xiàn)象中，溫度都比較高（相對于絕對零度附近來說），粒子的運(yùn)動(dòng)速度都會(huì)比較快。當(dāng)它們碰撞和散射的時(shí)候，不一定都是面對面硬懟，大多數(shù)時(shí)候都是“擦肩而過”。

　　這有點(diǎn)兒像你趕公交的時(shí)候，不會(huì)直接把擋在前面的人撞倒，而是會(huì)努力往人縫里鉆，從他們的側(cè)面“擦肩而過”。

　　那么，這種“擦肩而過”的過程，能用超冷原子氣體來模擬嗎？能倒是能，但是難度比較大。

　　這是因?yàn)椋邷氐那闆r相反，在超冷原子氣體中，原子的運(yùn)動(dòng)速度很慢。由于量子力學(xué)的效應(yīng)，超冷原子在發(fā)生反應(yīng)的時(shí)候，大部分時(shí)候會(huì)面對面硬懟。相反，它們擦肩而過的反應(yīng)概率可以忽略不計(jì)。所以，物理學(xué)家用超冷原子氣體作的模擬實(shí)驗(yàn)，很難模擬高溫粒子擦肩而過的情況。

　　你可能會(huì)問了，不就是“擦肩而過”和“面對面”這么一點(diǎn)兒區(qū)別，模擬不出來就算了唄，問題很大嗎？對于大爆炸來說，問題確實(shí)很大！

　　因?yàn)樵诖蟊ǖ牧Ｗ臃磻?yīng)發(fā)生時(shí)，粒子的溫度高達(dá)數(shù)十億度。在這么高的溫度下，粒子反應(yīng)主要不是靠粒子之間“面對面”硬懟時(shí)的作用力，而是靠粒子之間“擦肩而過”時(shí)的作用力！

　　用量子力學(xué)的術(shù)語來說，這叫作

相反，面對面硬懟屬于最低階分波的相互作用

　　并且，在常溫下，各種化學(xué)反應(yīng)也大都是通過“擦肩而過”的方式進(jìn)行的。由于我們對“擦肩而過”的方式不夠熟悉，因此，我們對真實(shí)世界的化學(xué)反應(yīng)、生物反應(yīng)的理解長期停滯不前。

　　所以，物理學(xué)家只用常規(guī)方法研究超冷原子氣體還不行，因?yàn)檫@樣沒法模擬粒子在高溫反應(yīng)中的真實(shí)作用方式（也就是高階波相互作用）。如果物理學(xué)家一直模擬不出來這種作用方式，就很難在量子力學(xué)的意義上搞清楚真實(shí)的粒子反應(yīng)。

　　要想解決這個(gè)問題，物理學(xué)家就得設(shè)法讓超冷原子氣體中的原子，也有機(jī)會(huì)“擦肩而過”。這樣一來，它們才有可能在溫度極低的時(shí)候，模擬高溫粒子的高階分波相互作用。

　　三、讓“擦肩而過”變得更明顯

　　2019 年 6 月 3 日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉及同事陳宇翱、姚星燦與清華大學(xué)翟薈、人民大學(xué)齊燃等組成的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在《自然·物理》雜志上發(fā)表了一篇論文。在論文所述的實(shí)驗(yàn)中，他們成功地讓大量鉀-41 原子在絕對零度附近，表現(xiàn)出了超冷原子氣體中不太常見的一種高階分波的相互作用：d-波相互作用。

　　那么，既然我們說在超低溫下，原子和原子通常都會(huì)正面硬懟，很少會(huì)“擦肩而過”，潘建偉教授的研究組又是怎么讓鉀-41原子乖乖地“擦肩而過”的呢？

　　其實(shí)，在超低溫下很難觀察到原子之間“擦肩而過”的作用方式，不僅因?yàn)檫@種情況出現(xiàn)的機(jī)會(huì)較少，還因?yàn)樵用看?ldquo;擦肩而過”之后，什么也不發(fā)生。既然什么也不發(fā)生，物理學(xué)家也就什么也看不到，當(dāng)然會(huì)覺得“擦肩而過”的情況很罕見了。

　　因此，研究組并不是直接增加了原子“擦肩而過”的機(jī)會(huì)，而是原子“擦肩而過”時(shí)發(fā)生點(diǎn)兒什么，讓這個(gè)過程象變得更加明顯，在實(shí)驗(yàn)中可以觀察到。

　　幸好，世界上剛好有一種手段，能夠讓原子“擦肩而過”的現(xiàn)象變得更明顯，這就是研究組想要尋找的d-波勢形共振。

　　四、鉀-41 超冷原子氣體的

　　d-波勢形共振

　　簡單地說，在這次實(shí)驗(yàn)中，研究組在鉀-41形成的超冷原子氣體中，加入了8~20高斯的磁場。結(jié)果，當(dāng)磁場強(qiáng)度達(dá)到16~20高斯之間時(shí)，超冷原子氣體中鉀-41原子的數(shù)量突然大幅減少。

　　而且，隨著溫度降低，鉀-41原子大幅減少的現(xiàn)象，會(huì)從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖中一個(gè)寬大的凹陷，漸漸演化成三個(gè)深淺不同的窄凹陷。并且，隨著溫度繼續(xù)降低，其中兩個(gè)淺凹陷會(huì)突然消失，只剩下一個(gè)較深的凹陷。

　　在量子力學(xué)中，隨著溫度降低，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖中一個(gè)凹陷變?nèi)齻€(gè)，三個(gè)凹陷又變成一個(gè)的現(xiàn)象，正是d-波勢形共振存在的標(biāo)志。

　　那么，鉀-41原子的數(shù)量為什么會(huì)突然減少呢？這是因?yàn)椋琩-波勢形共振讓鉀-41原子在“擦肩而過”時(shí)，克服了彼此之間的離心力，突然相互結(jié)合，形成了一種新的分子。

　　當(dāng)然，這個(gè)相互結(jié)合的過程不是隨便發(fā)生的。它需要物理學(xué)家通過調(diào)節(jié)磁場，讓分子的能量剛好等于兩個(gè)自由鉀-41原子的能量。也就是說，這兩個(gè)原子結(jié)合成分子的過程，既不吸收能量，也不釋放能量。它是在反應(yīng)前后能量相等的條件下，產(chǎn)生的一種“共振”現(xiàn)象。

　　這個(gè)過程聽起來很容易，但是實(shí)際做實(shí)驗(yàn)的過程就像大海撈針，既需要膽識(shí)，也需要運(yùn)氣。

　　更有意思的是，在新形成的分子中，鉀-41原子就像一對雙星一樣，會(huì)繞著對方不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，也就是在不斷地“擦肩而過”。并且，它們轉(zhuǎn)動(dòng)的“力度”（即角動(dòng)量），正好對應(yīng)量子力學(xué)部分波展開方法中的d-波。

　　于是，研究組通過調(diào)節(jié)磁場的大小，成功地在鉀-41形成的超冷原子氣體中觀察到了d-波勢形共振的現(xiàn)象。這就為物理學(xué)家在超低溫下研究d-波相互作用有關(guān)的量子現(xiàn)象打下了基礎(chǔ)。

　　當(dāng)然，這次鉀-41超冷原子氣體的d-波勢形共振實(shí)驗(yàn)只是一個(gè)開始。物理學(xué)家希望，他們將來能夠在超低溫實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)更多不同類型的原子“擦肩而過”的現(xiàn)象，并逐漸搞清楚其中的物理規(guī)律。

　　在逐步搞清楚了超冷原子氣體中“擦肩而過”的量子現(xiàn)象后，物理學(xué)家希望，在將來某個(gè)時(shí)候，他們能夠從量子力學(xué)的角度把真實(shí)世界的生物、化學(xué)等各種動(dòng)力學(xué)過程徹底拆解清楚。只有這樣，我們才能夠在原子和分子的層面，真正理解我們身邊的世界。

　　作者：Sheldon

　　繪制：Mirror、黃呆

　　美指：牛貓

　　排版：胡豆

　　鳴謝：陳宇翱、姚星燦

　　注：

　　1. 研究論文還指出，在發(fā)生了d-波勢形共振發(fā)生的鉀-41超冷原子氣體中，包含了大量的狀態(tài)穩(wěn)定、壽命長達(dá)數(shù)百毫秒的d-波分子。這對物理學(xué)家來說是一個(gè)好消息，因?yàn)橹挥挟?dāng)一種狀態(tài)的壽命足夠長時(shí)，他們才可能對它開展進(jìn)一步的研究。此外，由于這些d-波分子的溫度極低，很有可能已處在超流狀態(tài)下，因此，這次超冷原子氣體實(shí)驗(yàn)同時(shí)也為研究d-波分子超流現(xiàn)象打下了基礎(chǔ)。

　　2. 在量子力學(xué)的散射理論中，由于粒子之間的作用力大都是球?qū)ΨQ的，所以，散射振幅通常都會(huì)在球?qū)ΨQ的坐標(biāo)下通過分離變量進(jìn)行計(jì)算。這種計(jì)算方式會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)結(jié)果。第一個(gè)結(jié)果是，散射振幅通常會(huì)以“球諧函數(shù)”為基準(zhǔn)做展開，由于歷史原因，這些展開結(jié)果從最低階開始，分別叫作s波，p波，d波，f波……等等。

　　3. 第二個(gè)結(jié)果是，除了最低階的s波之外，高階分波會(huì)在分離變量后的徑向（r）方程中，額外增加一項(xiàng)由“離心力”貢獻(xiàn)的勢能。這個(gè)勢能項(xiàng)在圖像中表現(xiàn)為一個(gè)小凸起的形狀。通常情況下，兩個(gè)自由原子必須獲得一定初始動(dòng)能，使得自己的總能量高于小凸起的能量高度，才有可能進(jìn)一步相互靠近，形成分子（當(dāng)然，還必須滿足其他形成分子的條件）。但如果通過調(diào)節(jié)磁場大小，使得分子的能量剛好等于兩個(gè)自由原子靜止時(shí)的能量時(shí)，這兩個(gè)自由原子就會(huì)通過“量子隧穿”效應(yīng)，突然穿過小凸起，直接結(jié)合成一個(gè)分子。這個(gè)過程就叫作勢形共振。如果這個(gè)勢能項(xiàng)是由d波有關(guān)的離心力產(chǎn)生的，就叫作d 波勢形共振。

圖片來源：見參考文獻(xiàn)1

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. Niels Kjærgaard,Scattering Atoms Catch the d Wave, 10.1103/Physics.10.123.

　　2. Xing-Can Yao and et. al.，Degenerate Bose Gases near a d-wave Shape Resonance, Nature Physics,Nature Physics 15, 570–576 (2019)).

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的漫画 | 科学家首次观测到超低温下钾-41原子的“擦肩而过”的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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