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粒子三重態? 奇怪的物理理論近50年被證明


- 2018年7月22日22時53分
- 科學文摘 / 博科園

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博科園-科學科普Vitaly Efimov曾預言的量子力學版本的博羅米恩環,標誌著從2世紀左右第一次出現在阿富汗的佛教藝術,這個符號描繪了三個環連在一起,如果有任何環被移除,它們就會分開。

博羅米恩環,一個可以追溯到公元二世紀的符號,用鋰原子重新創建的。圖片版權:Wikipedia

Vitaly Efimov的理論模擬使用粒子環:三粒子(如原子或質子甚至夸克)可以結合在一起的一種穩定的狀態,即使他們的任何兩個無法結合第三個。物理學家首次提出的想法是基於數學證明,自1970年那時提出以來直到最近在實驗室沒有人能夠證明這一現象。

由休斯敦萊斯大學的Randy Hulet率領的物理學家團隊終於實現了粒子的三重態,並在科學雜誌上發表了他們的研究成果。

Hulet告訴LiveScience說這是非常令人興奮的,因為在40年的這種預測里最終得到驗證。(1970年提出,於2009年被證明(距今近50年)然而關於三重態你曾知道嗎?)

Vitaly Efimov曾計算,結合粒子態是可能的,而且是重複:新的束縛態可以達到更高的能量水平在一個無窮級數。所有的束縛態的能級會發生在是515的倍數。


Vitaly Efimov已經計算出結合粒子的三重態是可能的,並且它是重複的:在無限進展的更高和更高的能量水平下可以實現新的結合狀態。所有重合狀態將發生在515的倍數的能級。

半導體納米晶體的三重態激子(excitons)的能量可以轉移到結合在其表面上的分子受體上。圖片來源:NC State University

為了證明他們真正創造了三重態,稱為Efimov三聚體,研究人員產生了一組三個結合在一起的鋰原子,然後以第一個結合能515倍的重現(基本上結合能指示粒子彼此結合需要多少能量,以及將它們分開的能量需要多少)。

研究人員使用了一種稱為Feshbach共振的裝置,使它們能夠調整原子的能級,他們發現當它們達到515的倍數時粒子將會結合,但是在其他能量下它們不會,證明三重態真的是Efimov三聚體。

Hulet說這真的是一個驚人的效果,開始很多人不相信(Vitaly Efimov)這是一個非常奇怪的預測。

這個理論是獨一無二的,因為它是一種所謂「三體」問題的特殊情況的解決方案。科學家已經解決了「兩體」問題 ,也就是說他們根據起始位置,質量和速度準確計算出兩個物體的移動距離。科學家們也可以為許多重合狀態計算這種情況,但是對於一般的三體問題的純粹解決方案是難以捉摸的。

由兩對捕獲離子組成的兩個糾纏的機械振蕩器的藝術表現。箭頭表示兩個離子的內部狀態。兩個機械振蕩器之間的霧被用於表示糾纏。圖片版權;John Jost and Jason Amini

Hulet說:物理學家可以很好地處理兩體的問題,而且多體的問題還是很好的,但像Efimov三聚體中的這些多體變數就太多了。

Vitaly Efimov的計算不是解決一般情況下的解決方案,而是三聚體的具體情況,因此現實生活的例子發現驗證他預測粒子的三重態是學習更多關於「少體」物理學的重要一步。

作者:Clara Moskowitz

編譯:光量子

審校:博科園

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