摘要：科学家们首次观察到单个原子在太空中自由漂浮并相互作用。这一发现有助于证实量子力学的一些最基本原理，这些原理在一个多世纪前首次被预测，但从未得到直接验证。

物理学家有史以来第一次使用一种新技术来观察单个原子在自由空间中的相互作用。这项新技术证实了一个具有百年历史的量子力学理论。

原子在空气中自由漂浮的插图。 （图片来源：Stanislaw Pytel via Getty Images）

科学家们首次观察到单个原子在太空中自由漂浮并相互作用。这一发现有助于证实量子力学的一些最基本原理，这些原理在一个多世纪前首次被预测，但从未得到直接验证。

众所周知，由于其量子性质，单个原子很难观察到。例如，由于量子怪异性，研究人员无法同时知道原子的位置和速度。但是使用某些激光技术，他们已经捕获了原子云的图像。

“这就像在天空中看到一朵云，但不是构成云的单个水分子，”麻省理工学院的物理学家、这项新研究的合著者马丁·兹维尔莱恩（Martin Zwierlein）在一份声明中说。

新方法更进一步，允许科学家在自由空间中捕获“自由范围”原子的图像。首先，Zwierlein 和他的同事在超低温下将一团钠原子聚集在一个松散的陷阱中。然后，他们穿过云层发射一束激光，暂时将原子冻结在原地。然后，第二种荧光激光照亮了单个原子的位置。

观察到的原子属于一组称为玻色子。这些粒子具有相同的量子力学状态，因此，它们的行为就像一个波，聚在一起。这个概念由法国物理学家路易·德布罗意于 1924 年首次提出，随后被称为“德布罗意波”。

上图：两幅插图显示了原子阱（红色）中的原子如何通过光晶格突然冻结在原地。下图：三张显微镜图像显示（从左到右）玻色子 23Na 形成玻色-爱因斯坦凝聚态;弱相互作用的 6Li Fermi 混合物中的单一自旋态;并且两者都是强相互作用的费米混合物的自旋态，直接揭示了对的形成。（图片来源：Yao et al.）

果然，Zwierlein 和他的团队观察到的玻色子显示出德布罗意波行为。研究人员还拍摄了费米子锂的图像——一种排斥相似粒子而不是聚集在一起的粒子。

研究结果于 5 月 5 日发表在《物理评论快报》杂志上。另外两个小组报告说，在同一期杂志中使用类似的技术来观察玻色子和费米子对。

“我们能够在这些有趣的原子云中看到单个原子，以及它们彼此之间的关系，这太美了，”Zwierlein 说。

未来，该团队计划使用这种称为“原子分辨显微镜”的新技术来研究其他量子力学现象。例如，他们可能会用它来尝试观察“量子霍尔效应”，其中电子在强磁场的影响下同步。

来源：奇趣科学圈