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30年前预言的量子现象被看到了

 大科技杂志社 2022-11-29 发表于海南
  

经典的 “原子为什么没塌”问题

  你脚下的地板,你坐的椅子,为什么不会塌下去?

  这个问题问得好怪呀,你也许会说。那么,我来解释一下:我们都知道,地板也好,椅子也好,最终都是由原子组成的;而原子又是由原子核和核外电子组成的。原子核比起原子来,小得可怜。如果把原子比作一座体育馆,那么原子核只相当于一颗玻璃珠。所以,整个原子内部其实是空荡荡的,全靠在核外运动的电子支撑着。

  这一现象过去让经典物理学家非常困惑,因为按照他们的理解,做圆周运动的电荷是要发射电磁波,损失能量的。这一来,核外的电子迟早会能量耗尽,掉进原子核;于是,整个原子都“塌”下去。但这一切并没有发生。

  后来发展起来的量子物理学解答了这个难题。根据量子力学,在核外运动的电子,能量从低到高,占据着一条条轨道。在经典物理学中,电子运动的轨道半径可以随意变化;但在量子物理学中,电子的轨道半径只能取某些固定值;这意味着,电子的轨道是分立的、不连续的。电子在这些轨道上运动的时候,不发射电磁波,不会损失能量;只有当它从一条能量高的轨道跳到能量低的轨道时,才发射电磁波,损失能量。

  既然核外电子运动不会损失能量,原子自然也就不会塌下去。

  量子版的 “原子为什么没塌”问题

  经典物理学的“原子为什么没塌”问题,就这样被量子物理学回答了。但这个解释自身还包含一个问题:像水流一样,电子都有往能量低的地方跑的趋势,那么处于能量更高、离核更远的轨道上的电子,为什么不纷纷“跳”到能量最低、离核最近的轨道上去呢?这样一来,原子不也还是要“塌”(虽然不是彻底塌)下去吗?

  这又是另一版本的“原子为什么没塌”问题。这个问题还是量子理论自身解决的。原来,核外的电子不仅要遵循上述的量子规则,还要遵循另一条叫“泡利不相容原理”的量子规则。泡利不相容原理说,在一个系统中(如一个原子)两个相同的粒子(如电子)不可以占据同一个量子态。

  量子态就是粒子所处的量子状态,类似经典物理学中,以位置、速度来标志的物体的运动状态。具体到核外的电子,其量子态是以其轨道(或者叫轨道量子数)和自旋来标志的。而电子的自旋只有两种:朝上或朝下(这里的“上下”不是一个空间概念,只是为方便起见借用的说法)。所以,根据泡利不相容原理,处于同一条轨道上的电子,为了避免处于同一个量子态,必须在自旋上有所区别,而电子的自旋只有“朝上”和“朝下”两种。这意味着,同一条轨道最多只能被两个电子占据。如此一来,当靠近原子核的轨道已被电子占据的时候,离核远的轨道上的电子想跳下去,就不可能了。它们就只好老老实实呆在远处,为原子“守护疆土”。这样,原子也就不会“塌”下去了。

  这个道理就好比大家都是好学生,在一个阶梯教室上课时,都想占据前排的座位。但是很遗憾,前排已经被人占了,而学校又规定,一个座位只能坐一个人,不允许你坐在人家的腿上,或者叠罗汉坐在人家的肩上,所以你只好坐后面。在遵守学校规则的前提下,大家尽可能靠前坐,把前面的座位先坐满。

  由此看来,正是这个令人费解的“泡利不相容原理”,阻止了你的地板,你的椅子,甚至你本人塌下去。

  对光透明的费米气体

  泡利不相容原理不仅适用于电子,还适用于包括电子在内的一大类粒子。这类粒子叫“费米子”。费米子有一个共同点,即自旋量子数都是半整数(因为微观粒子的自旋也是量子化的)。比如,电子的自旋量子数是1/2,其他自旋量子数是3/2、5/2、7/2……的粒子,也都属于费米子。常见的质子、中子都是费米子。相反,那些自旋量子数是整数(如0、1、2……)的粒子,叫玻色子。光子、希格斯粒子都是玻色子。玻色子不需要遵守泡利不相容原理。

  现在,让我们回到题目上来。这个30年前预言的量子效应就跟泡利不相容原理有关。

  对于一大群自由的费米子(所谓“自由”就是可以忽略相互间的作用),当温度降得足够低,所有粒子都停止运动之后,如果它们密密麻麻挤在一起,就意味着所有能级最低的量子态都被填满,物质的这种形式被称为“费米海”。在此情况下,粒子变得无法移动。

  要获得费米海,需要满足苛刻的条件。首先,要保证粒子全部是费米子;其次,要达到高密度和超低温。

  现在,让我们看一团费米气体过渡到费米海时会发生的一个现象。假如这团由费米子组成的气体,原先是“雾蒙蒙”、不透明的,当温度持续降低,你会发现,它逐渐变透明了!

  这里的“透明”是什么意思呢?就是说,你朝它照射一束光,光可以没有阻碍地穿透这团气体,不会发生任何吸收、散射或反射。

  动弹不得的费米海粒子

  为什么会发生这个现象呢?这值得我们好好解释一下。

  平常光照射到物体上,一部分光要与物体的原子作用,由此偏离原来的传播方向,造成所谓的吸收、反射和散射。光的能量和传播方向被改变的同时,对原子也有反作用力,使得原子反冲,稍稍移动位置。

  可是,当光照射到处于费米海状态的粒子时,假如粒子获得来自光的反冲力,势必要移动位置,但我们前面说了,费米海中相邻的量子态都已经被占满,粒子是无法移动的,所以光的照射对它们没有作用。换句话说,处于费米海状态的粒子不会与光发生任何作用。这样一来,光就可以无阻碍地穿越这团气体。

  这个量子效应是30年前理论上预言的,最近被国际上三个研究小组同时观察到了。三个小组都用了磁场设置的“陷阱”来将费米粒子捕捉到一起(创造高密度的条件),然后冷却到接近绝对零度。虽然每个小组各自使用了不同类型的原子(都是费米子),但都观察到了同样的现象。作为对照,其中一个小组还把一群玻色子冷却到相同的温度,却没有观察到类似的效应。

  科学家猜测,白矮星、中子星内部的物质就处于费米海状态。这意味着,这些天体的内部虽然非常密实,但对于光,又是极透明的,完全违反我们的直觉。不过,这里指的仅是其内部,表面就不一定了。所以,这个猜测不容易验证。

  这项成果有一个潜在的应用,即用于延长激发态原子的寿命。当在低能量轨道还有空位时,有核外电子就占据了高能量轨道,这种原子叫激发态原子。激发态原子是不稳定的,那个占据高能量轨道的电子,很快就会通过释放光子,回到低能量轨道。这叫“退激发”。所以,激发态原子寿命极短,很难被研究。

 但是,假如我们把一个激发态原子放到费米海中,情况就不一样了。它要想释放光子,回到低能量状态,光子势必要给它一个反冲,让它移动位置,而根据泡利不相容原理,处在费米海中的粒子是无法动弹的。所以,退激发也就不会发生了。如此一来,就延长了它的寿命,允许科学家从容地研究它。

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