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科学家首推动老龄事业发展次观测到超低温下钾-41原子的“擦肩而过”

发稿时间:2019-06-12 13:39:04 来源:腾讯新闻

来源:墨子沙龙

世界上几乎所有的现象,原则上都可以用量子力学的法则来描述。比如,不论是宇宙大爆炸时的粒子反应,还是生活中的化学反应,都可以用量子力学描述成不同粒子间的碰撞和散射。

虽然这种说法看上去很简单,但是实际操作起来却寸步难行。因为大部分反应都涉及很多不同种类的原子,有的原子还会结合成分子,它们之间的作用力相互叠加以后,会变得非常复杂,物理学家很难搞清楚其中的细节。

怎么办?

一、问题搞不定,就把问题简化

当物理学家发现一个问题很难搞定的时候,通常都会对它进行大幅简化。

比如,有的物理学家会想,我们不要一开始就研究那么多粒子,不如先研究一小撮儿最简单的原子,让它们来模拟那一群乱七八糟的粒子。

你可能觉得这种简化有点儿过头,不过不用着急。反正复杂的问题他们也搞不定,无论如何,只能先试着搞一搞简单的。物理学家认为,只有先把简单的问题搞定了,将来才能一步一步往里添加细节,让它慢慢还原成最初那个复杂的问题。

其实,这种仅仅把粒子种类变少,数量变少的手段还是不够简化,其结果还是会很难计算。因为在通常的温度下,原子会进行各种混乱的热运动。这种混乱的热运动别说计算了,物理学家连每一个原子在哪个地方、运动速度多快都说不清楚。

于是,物理学家只好进一步简化问题。他们会把那一小撮儿原子冷却到绝对零度附近,让它们不要乱跑乱动,尽量老老实实地原地待着。此时,原子就像踢正步的士兵一样,行动会变得整齐划一,而且会服从指挥。同时,原子之间的作用力在实验中会变得清晰可见,在理论中的计算难度也会大幅降低。

这就是物理学家特别喜欢研究的

总结一下,超冷原子气体是一种简化的物理模型,就好比生物学实验中的果蝇和小白鼠。通过研究它,物理学家希望自己能逐渐搞清楚更复杂的量子现象(比如大爆炸时的粒子反应)。

二、简化过头也不行

超冷原子气体确实给物理学家提供了很大帮助,但在大爆炸的问题上,这个模型好像有点儿简化过头了。

这是因为,在现实世界的物理现象中,温度都比较高(相对于绝对零度附近来说),粒子的运动速度都会比较快。当它们碰撞和散射的时候,不一定都是面对面硬怼,大多数时候都是“擦肩而过”。

这有点儿像你赶公交的时候,不会直接把挡在前面的人撞倒,而是会努力往人缝里钻,从他们的侧面“擦肩而过”。

那么,这种“擦肩而过”的过程,能用超冷原子气体来模拟吗?能倒是能,但是难度比较大。

这是因为,跟高温的情况相反,在超冷原子气体中,原子的运动速度很慢。由于量子力学的效应,超冷原子在发生反应的时候,大部分时候会面对面硬怼。相反,它们擦肩而过的反应概率可以忽略不计。所以,物理学家用超冷原子气体作的模拟实验,很难模拟高温粒子擦肩而过的情况。

你可能会问了,不就是“擦肩而过”和“面对面”这么一点儿区别,模拟不出来就算了呗,问题很大吗?对于大爆炸来说,问题确实很大!

因为在大爆炸的粒子反应发生时,粒子的温度高达数十亿度。在这么高的温度下,粒子反应主要不是靠粒子之间“面对面”硬怼时的作用力,而是靠粒子之间“擦肩而过”时的作用力!

用量子力学的术语来说,这叫作 (相反,面对面硬怼属于最低阶分波的相互作用)

并且,在常温下,各种化学反应也大都是通过“擦肩而过”的方式进行的。由于我们对“擦肩而过”的方式不够熟悉,因此,我们对真实世界的化学反应、生物反应的理解长期停滞不前。

所以,物理学家只用常规方法研究超冷原子气体还不行,因为这样没法模拟粒子在高温反应中的真实作用方式(也就是高阶波相互作用)。如果物理学家一直模拟不出来这种作用方式,就很难在量子力学的意义上搞清楚真实的粒子反应。

要想解决这个问题,物理学家就得设法让超冷原子气体中的原子,也有机会“擦肩而过”。这样一来,它们才有可能在温度极低的时候,模拟高温粒子的高阶分波相互作用。

三、让“擦肩而过”变得更明显

2019年3月11日,中国科学技术大学潘建伟及同事陈宇翱、姚星灿与清华大学翟荟、人民大学齐燃等组成的联合团队在《自然·物理》杂志上发表了一篇论文。在论文所述的实验中,他们成功地让大量钾-41原子在绝对零度附近,表现出了超冷原子气体中不太常见的一种高阶分波的相互作用:d-波相互作用。

那么,既然我们说在超低温下,原子和原子通常都会正面硬怼,很少会“擦肩而过”,潘建伟教授的研究组又是怎么让钾-41原子乖乖地“擦肩而过”的呢?

其实,在超低温下很难观察到原子之间“擦肩而过”的作用方式,不仅因为这种情况出现的机会较少,还因为原子每次“擦肩而过”之后,什么也不发生。既然什么也不发生,物理学家也就什么也看不到,当然会觉得“擦肩而过”的情况很罕见了。

因此,研究组并不是直接增加了原子“擦肩而过”的机会,而是原子“擦肩而过”时发生点儿什么,让这个过程象变得更加明显,在实验中可以观察到。

幸好,世界上刚好有一种手段,能够让原子“擦肩而过”的现象变得更明显,这就是研究组想要寻找的d-波势形共振。

四、钾-41超冷原子气体的

d-波势形共振

简单地说,在这次实验中,研究组在钾-41形成的超冷原子气体中,加入了8~20高斯的磁场。结果,当磁场强度达到16~20高斯之间时,超冷原子气体中钾-41原子的数量突然大幅减少。

而且,随着温度降低,钾-41原子大幅减少的现象,会从实验数据图中一个宽大的凹陷,渐渐演化成三个深浅不同的窄凹陷。并且,随着温度继续降低,其中两个浅凹陷会突然消失,只剩下一个较深的凹陷。

在量子力学中,随着温度降低,实验数据图中一个凹陷变三个,三个凹陷又变成一个的现象,正是d-波势形共振存在的标志。

那么,钾-41原子的数量为什么会突然减少呢?这是因为,d-波势形共振让钾-41原子在“擦肩而过”时,克服了彼此之间的离心力,突然相互结合,形成了一种新的分子。

当然,这个相互结合的过程不是随便发生的。它需要物理学家通过调节磁场,让分子的能量刚好等于两个自由钾-41原子的能量。也就是说,这两个原子结合成分子的过程,既不吸收能量,也不释放能量。它是在反应前后能量相等的条件下,产生的一种“共振”现象。

这个过程听起来很容易,但是实际做实验的过程就像大海捞针,既需要胆识,也需要运气。

更有意思的是,在新形成的分子中,钾-41原子就像一对双星一样,会绕着对方不断转动,也就是在不断地“擦肩而过”。并且,它们转动的“力度”(即角动量),正好对应量子力学部分波展开方法中的d-波。

于是,研究组通过调节磁场的大小,成功地在钾-41形成的超冷原子气体中观察到了d-波势形共振的现象。这就为物理学家在超低温下研究d-波相互作用有关的量子现象打下了基础。

当然,这次钾-41超冷原子气体的d-波势形共振实验只是一个开始。物理学家希望,他们将来能够在超低温实验中,发现更多不同类型的原子“擦肩而过”的现象,并逐渐搞清楚其中的物理规律。

在逐步搞清楚了超冷原子气体中“擦肩而过”的量子现象后,物理学家希望,在将来某个时候,他们能够从量子力学的角度把真实世界的生物、化学等各种动力学过程彻底拆解清楚。只有这样,我们才能够在原子和分子的层面,真正理解我们身边的世界。

作者:Sheldon

绘制:Mirror、黄呆

美指:牛猫

排版:胡豆

鸣谢:陈宇翱、姚星灿

注:

1、研究论文还指出,在发生了d-波势形共振发生的钾-41超冷原子气体中,包含了大量的状态稳定、寿命长达数百毫秒的d-波分子。这对物理学家来说是一个好消息,因为只有当一种状态的寿命足够长时,他们才可能对它开展进一步的研究。此外,由于这些d-波分子的温度极低,很有可能已处在超流状态下,因此,这次超冷原子气体实验同时也为研究d-波分子超流现象打下了基础。

2、在量子力学的散射理论中,由于粒子之间的作用力大都是球对称的,所以,散射振幅通常都会在球对称的坐标下通过分离变量进行计算。这种计算方式会导致两个结果。第一个结果是,散射振幅通常会以“球谐函数”为基准做展开,由于历史原因,这些展开结果从最低阶开始,分别叫作s波,p波,d波,f波……等等。

3、第二个结果是,除了最低阶的s波之外,高阶分波会在分离变量后的径向(r)方程中,额外增加一项由“离心力”贡献的势能。这个势能项在图像中表现为一个小凸起的形状。通常情况下,两个自由原子必须获得一定初始动能,使得自己的总能量高于小凸起的能量高度,才有可能进一步相互靠近,形成分子(当然,还必须满足其他形成分子的条件)。但如果通过调节磁场大小,使得分子的能量刚好等于两个自由原子静止时的能量时,这两个自由原子就会通过“量子隧穿”效应,突然穿过小凸起,直接结合成一个分子。这个过程就叫作势形共振。如果这个势能项是由d波有关的离心力产生的,就叫作d 波势形共振。

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