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    量子力学的世界里,概率就是一切!揭示原子的“波函数”

    物理学家们已经证明了一种新方法,可以通过直接观察来获得描述孤立量子系统(如原子气体)的基本细节。新方法以前所未有的空间分辨率提供了在系统特定位置发现原子可能性的信息。有了这项技术,科学家们可以获得几十纳米尺度的细节——比病毒还小。联合量子研究所(JQI)是美国国家标准与技术研究所(NIST)和马里兰大学的合作研究机构,在联合量子研究所(JQI)进行的实验使用了一种光学网格(一种悬挂着数千个原子的激光网络)来确定一个原子可能在任何给定位置的概率。

    量子力学的世界里,概率就是一切!揭示原子的“波函数”

    由于晶格中的每个原子行为都与其他原子类似,所以对整个原子群的测量揭示了单个原子在空间某一点的可能性。联合量子研究所(JQI)技术(以及芝加哥大学的一个小组同时发表的一项类似技术)可以得出原子位置的可能性远低于用来照亮原子光的波长——比光学显微镜通常能分辨的极限高出50倍,其研究结果发表在《物理评论X》上。这项研究背后的物理学家之一。联合量子研究所(JQI)的Trey Porto说:这证明了我们观察量子力学的能力,此前还没有对原子进行如此精确的测量。

    量子力学的世界里,概率就是一切!揭示原子的“波函数”

    • 研究团队使用激光和光学技术构建了一个原子波函数的图像(紫色)。这张图是对这一过程的艺术描述,显示了一个显微镜物镜对准悬浮在光学晶格(高白色波)中的原子(球体)。该团队以前所未有的细节揭示了关于原子波函数的信息。图片:E. Edwards/Joint Quantum Institute

    为了理解量子系统,物理学家经常谈论它的“波函数”。这不仅仅是一个重要的细节,这就是整个故事,它包含描述系统所需的所有信息。联合量子研究所(JQI)物理学家、论文的另一位作者史蒂夫·罗尔斯顿(Steve Rolston)说:这是对系统的描述,如果你有波函数的信息,就可以计算出关于它的所有其他信息,比如物体的磁性、导电性以及它发出或吸收光的可能性。虽然波函数是一个数学表达式,而不是一个物理对象,但该团队的方法可以揭示波函数所描述的行为:

    量子力学的世界里,概率就是一切!揭示原子的“波函数”

    一个量子系统以一种方式与另一种方式行为的概率——在量子力学的世界里,概率就是一切。无论如何,对于一个足够简单的系统,量子力学已经被物理学家充分理解,专家们可以从基本原理出发计算波函数,而不需要观察它。然而,许多有趣的系统是复杂的。有些量子系统是无法计算的,因为它们太难了,比如由几个大原子组成的分子,这种方法可以帮助我们了解这些情况。由于波函数只描述了一组概率,物理学家如何才能在短时间内得到波函数效应的全貌?

    量子力学的世界里,概率就是一切!揭示原子的“波函数”

    该方法包括同时测量大量相同的量子系统,并将结果综合成一个整体。这有点像同时掷10万对骰子——每次掷出一个结果,并在显示所有骰子值的概率曲线上贡献一个点。研究小组观察到的是光学晶格中悬浮在激光器中约10万个镱原子的位置。镱原子与相邻原子相互隔离,只能在一维线段上来回运动。为了获得高分辨率图像,研究小组找到了一种方法来观察这些线段的窄切片,以及每个原子在各自切片中出现的频率。在观察了一个区域后,研究小组测量了另一个区域,直到得到了整个图像。

    量子力学的世界里,概率就是一切!揭示原子的“波函数”

    虽然还没有想到一个可以利用这项技术的“杀手级应用”,但仅仅是这个团队直接描绘了量子研究的核心内容,就足以让他着迷。目前还不完全清楚这项技术将被用于何处,但它是一种提供新机会的新技术。多年来,一直使用光学晶格来捕捉原子,现在它已经成为一种新的测量工具。量子力学有许多奇怪的原理,其中之一就是在我们测量它们的位置之前,物体可能没有一个精确的位置。例如,原子核周围的电子不沿着规则的类行星轨道运动,这与我们一些人在学校所学的图像相反。

    量子力学的世界里,概率就是一切!揭示原子的“波函数”

    相反,它们的作用就像波纹波,所以不能说电子本身有一个确定的位置。相反,电子位于空间的模糊区域内。所有物体都有这种波状的行为,但对于任何大到肉眼可以看到的物体,这种影响是难以察觉,经典物理学的规则——我们没有注意到建筑物、水桶或面包屑像波一样散开。但是,孤立一个像原子这样的微小物体,情况就不同了,因为原子存在于一个量子力学效应占主导地位的大小领域。不可能确切地说它在哪里,只能说它会在某个地方被发现。波函数提供了原子在任何给定位置被发现的概率集。

    量子力学的世界里,概率就是一切!揭示原子的“波函数”

    参考期刊《物理评论X》

    DOI: 10.1103/PhysRevX.9.021002

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