粒子三重態? 奇怪的物理理論近50年被證明

2021-01-21 天文物理

【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年的這種預測裡最終得到驗證。（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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