科學家首次觀測到超低溫下鉀-41原子的“擦肩而過”
2019年06月12日13:35

  來源:墨子沙龍

  世界上幾乎所有的現象,原則上都可以用量子力學的法則來描述。比如,不論是宇宙大爆炸時的粒子反應,還是生活中的化學反應,都可以用量子力學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,但是實際操作起來卻寸步難行。因為大部分反應都涉及很多不同種類的原子,有的原子還會結合成分子,它們之間的作用力相互疊加以後,會變得非常複雜,物理學家很難搞清楚其中的細節。

怎麼辦?
怎麼辦?

  一、問題搞不定,就把問題簡化

  當物理學家發現一個問題很難搞定的時候,通常都會對它進行大幅簡化。

  比如,有的物理學家會想,我們不要一開始就研究那麼多粒子,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兒過頭,不過不用著急。反正複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。物理學家認為,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節,讓它慢慢還原成最初那個複雜的問題。

  其實,這種僅僅把粒子種類變少,數量變少的手段還是不夠簡化,其結果還是會很難計算。因為在通常的溫度下,原子會進行各種混亂的熱運動。這種混亂的熱運動別說計算了,物理學家連每一個原子在哪個地方、運動速度多快都說不清楚。

  於是,物理學家只好進一步簡化問題。他們會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,儘量老老實實地原地待著。此時,原子就像踢正步的士兵一樣,行動會變得整齊劃一,而且會服從指揮。同時,原子之間的作用力在實驗中會變得清晰可見,在理論中的計算難度也會大幅降低。

這就是物理學家特別喜歡研究的
這就是物理學家特別喜歡研究的

  總結一下,超冷原子氣體是一種簡化的物理模型,就好比生物學實驗中的果蠅和小白鼠。通過研究它,物理學家希望自己能逐漸搞清楚更複雜的量子現象(比如大爆炸時的粒子反應)。

二、簡化過頭也不行
二、簡化過頭也不行

  二、簡化過頭也不行

  超冷原子氣體確實給物理學家提供了很大幫助,但在大爆炸的問題上,這個模型好像有點兒簡化過頭了。

  這是因為,在現實世界的物理現象中,溫度都比較高(相對於絕對零度附近來說),粒子的運動速度都會比較快。當它們碰撞和散射的時候,不一定都是面對面硬懟,大多數時候都是“擦肩而過”。

  這有點兒像你趕公交的時候,不會直接把擋在前面的人撞倒,而是會努力往人縫裡鑽,從他們的側面“擦肩而過”。

  那麼,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。

  這是因為,跟高溫的情況相反,在超冷原子氣體中,原子的運動速度很慢。由於量子力學的效應,超冷原子在發生反應的時候,大部分時候會面對面硬懟。相反,它們擦肩而過的反應概率可以忽略不計。所以,物理學家用超冷原子氣體作的模擬實驗,很難模擬高溫粒子擦肩而過的情況。

  你可能會問了,不就是“擦肩而過”和“面對面”這麼一點兒區別,模擬不出來就算了唄,問題很大嗎?對於大爆炸來說,問題確實很大!

  因為在大爆炸的粒子反應發生時,粒子的溫度高達數十億度。在這麼高的溫度下,粒子反應主要不是靠粒子之間“面對面”硬懟時的作用力,而是靠粒子之間“擦肩而過”時的作用力!

用量子力學的術語來說,這叫作
用量子力學的術語來說,這叫作
(相反,面對面硬懟屬於最低階分波的相互作用)
(相反,面對面硬懟屬於最低階分波的相互作用)

  並且,在常溫下,各種化學反應也大都是通過“擦肩而過”的方式進行的。由於我們對“擦肩而過”的方式不夠熟悉,因此,我們對真實世界的化學反應、生物反應的理解長期停滯不前。

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

  要想解決這個問題,物理學家就得設法讓超冷原子氣體中的原子,也有機會“擦肩而過”。這樣一來,它們才有可能在溫度極低的時候,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3月11日,中國科學技術大學潘建偉及同事陳宇翱、姚星燦與清華大學翟薈、人民大學齊燃等組成的聯合團隊在《自然·物理》雜誌上發表了一篇論文。在論文所述的實驗中,他們成功地讓大量鉀-41原子在絕對零度附近,表現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。

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

  其實,在超低溫下很難觀察到原子之間“擦肩而過”的作用方式,不僅因為這種情況出現的機會較少,還因為原子每次“擦肩而過”之後,什麼也不發生。既然什麼也不發生,物理學家也就什麼也看不到,當然會覺得“擦肩而過”的情況很罕見了。

  因此,研究組並不是直接增加了原子“擦肩而過”的機會,而是原子“擦肩而過”時發生點兒什麼,讓這個過程象變得更加明顯,在實驗中可以觀察到。

  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,在這次實驗中,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。結果,當磁場強度達到 16 ~20 高斯之間時,超冷原子氣體中鉀-41 原子的數量突然大幅減少。

  而且,隨著溫度降低,鉀-41 原子大幅減少的現象,會從實驗數據圖中一個寬大的凹陷,漸漸演化成三個深淺不同的窄凹陷。並且,隨著溫度繼續降低,其中兩個淺凹陷會突然消失,只剩下一個較深的凹陷。

  在量子力學中,隨著溫度降低,實驗數據圖中一個凹陷變三個,三個凹陷又變成一個的現象,正是 d-波勢形共振存在的標誌。

  那麼,鉀-41 原子的數量為什麼會突然減少呢?這是因為,d-波勢形共振讓鉀-41 原子在“擦肩而過”時,克服了彼此之間的離心力,突然相互結合,形成了一種新的分子。

  當然,這個相互結合的過程不是隨便發生的。它需要物理學家通過調節磁場,讓分子的能量剛好等於兩個自由鉀-41 原子的能量。也就是說,這兩個原子結合成分子的過程,既不吸收能量,也不釋放能量。它是在反應前後能量相等的條件下,產生的一種“共振”現象。

  這個過程聽起來很容易,但是實際做實驗的過程就像大海撈針,既需要膽識,也需要運氣。

  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,會繞著對方不斷轉動,也就是在不斷地“擦肩而過”。並且,它們轉動的“力度”(即角動量),正好對應量子力學部分波展開方法中的 d-波。

  於是,研究組通過調節磁場的大小,成功地在鉀-41 形成的超冷原子氣體中觀察到了 d-波勢形共振的現象。這就為物理學家在超低溫下研究 d-波相互作用有關的量子現象打下了基礎。

  當然,這次鉀-41 超冷原子氣體的 d-波勢形共振實驗只是一個開始。物理學家希望,他們將來能夠在超低溫實驗中,發現更多不同類型的原子“擦肩而過”的現象,並逐漸搞清楚其中的物理規律。

  在逐步搞清楚了超冷原子氣體中“擦肩而過”的量子現象後,物理學家希望,在將來某個時候,他們能夠從量子力學的角度把真實世界的生物、化學等各種動力學過程徹底拆解清楚。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

  繪製:Mirror、黃呆

  美指:牛貓

  排版:胡豆

  鳴謝:陳宇翱、姚星燦

  註:

  1、研究論文還指出,在發生了d-波勢形共振發生的鉀-41 超冷原子氣體中,包含了大量的狀態穩定、壽命長達數百毫秒的 d-波分子。這對物理學家來說是一個好消息,因為只有當一種狀態的壽命足夠長時,他們才可能對它開展進一步的研究。此外,由於這些 d-波分子的溫度極低,很有可能已處在超流狀態下,因此,這次超冷原子氣體實驗同時也為研究 d-波分子超流現象打下了基礎。

  2、在量子力學的散射理論中,由於粒子之間的作用力大都是球對稱的,所以,散射振幅通常都會在球對稱的坐標下通過分離變量進行計算。這種計算方式會導致兩個結果。第一個結果是,散射振幅通常會以“球諧函數”為基準做展開,由於歷史原因,這些展開結果從最低階開始,分別叫作s波,p波,d波,f波……等等。

  3、第二個結果是,除了最低階的s波之外,高階分波會在分離變量後的徑向(r)方程中,額外增加一項由“離心力”貢獻的勢能。這個勢能項在圖像中表現為一個小凸起的形狀。通常情況下,兩個自由原子必須獲得一定初始動能,使得自己的總能量高於小凸起的能量高度,才有可能進一步相互靠近,形成分子(當然,還必須滿足其他形成分子的條件)。但如果通過調節磁場大小,使得分子的能量剛好等於兩個自由原子靜止時的能量時,這兩個自由原子就會通過“量子隧穿”效應,突然穿過小凸起,直接結合成一個分子。這個過程就叫作勢形共振。如果這個勢能項是由d波有關的離心力產生的,就叫作 d 波勢形共振。

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