量子力學的世界裡，概率就是一切！揭示原子的「波函數」

物理學家們已經證明了一種新方法，可以通過直接觀察來獲得描述孤立量子系統(如原子氣體)的基本細節。新方法以前所未有的空間解析度提供了在系統特定位置發現原子可能性的信息。有了這項技術，科學家們可以獲得幾十納米尺度的細節——比病毒還小。聯合量子研究所(JQI)是美國國家標準與技術研究所(NIST)和馬里蘭大學的合作研究機構，在聯合量子研究所(JQI)進行的實驗使用了一種光學網格（一種懸掛著數千個原子的激光網路）來確定一個原子可能在任何給定位置的概率。

由於晶格中的每個原子行為都與其他原子類似，所以對整個原子群的測量揭示了單個原子在空間某一點的可能性。聯合量子研究所(JQI)技術(以及芝加哥大學的一個小組同時發表的一項類似技術)可以得出原子位置的可能性遠低於用來照亮原子光的波長——比光學顯微鏡通常能分辨的極限高出50倍，其研究結果發表在《物理評論X》上。這項研究背後的物理學家之一。聯合量子研究所(JQI)的Trey Porto說：這證明了我們觀察量子力學的能力，此前還沒有對原子進行如此精確的測量。

研究團隊使用激光和光學技術構建了一個原子波函數的圖像(紫色)。這張圖是對這一過程的藝術描述，顯示了一個顯微鏡物鏡對準懸浮在光學晶格(高白色波)中的原子(球體)。該團隊以前所未有的細節揭示了關於原子波函數的信息。圖片：E. Edwards/Joint Quantum Institute

為了理解量子系統，物理學家經常談論它的「波函數」。這不僅僅是一個重要的細節，這就是整個故事，它包含描述系統所需的所有信息。聯合量子研究所(JQI)物理學家、論文的另一位作者史蒂夫·羅爾斯頓(Steve Rolston)說：這是對系統的描述，如果你有波函數的信息，就可以計算出關於它的所有其他信息，比如物體的磁性、導電性以及它發出或吸收光的可能性。雖然波函數是一個數學表達式，而不是一個物理對象，但該團隊的方法可以揭示波函數所描述的行為：

一個量子系統以一種方式與另一種方式行為的概率——在量子力學的世界裡，概率就是一切。無論如何，對於一個足夠簡單的系統，量子力學已經被物理學家充分理解，專家們可以從基本原理出發計算波函數，而不需要觀察它。然而，許多有趣的系統是複雜的。有些量子系統是無法計算的，因為它們太難了，比如由幾個大原子組成的分子，這種方法可以幫助我們了解這些情況。由於波函數只描述了一組概率，物理學家如何才能在短時間內得到波函數效應的全貌？

該方法包括同時測量大量相同的量子系統，並將結果綜合成一個整體。這有點像同時擲10萬對骰子——每次擲出一個結果，並在顯示所有骰子值的概率曲線上貢獻一個點。研究小組觀察到的是光學晶格中懸浮在激光器中約10萬個鐿原子的位置。鐿原子與相鄰原子相互隔離，只能在一維線段上來回運動。為了獲得高解析度圖像，研究小組找到了一種方法來觀察這些線段的窄切片，以及每個原子在各自切片中出現的頻率。在觀察了一個區域後，研究小組測量了另一個區域，直到得到了整個圖像。

雖然還沒有想到一個可以利用這項技術的「殺手級應用」，但僅僅是這個團隊直接描繪了量子研究的核心內容，就足以讓他著迷。目前還不完全清楚這項技術將被用於何處，但它是一種提供新機會的新技術。多年來，一直使用光學晶格來捕捉原子，現在它已經成為一種新的測量工具。量子力學有許多奇怪的原理，其中之一就是在我們測量它們的位置之前，物體可能沒有一個精確的位置。例如，原子核周圍的電子不沿著規則的類行星軌道運動，這與我們一些人在學校所學的圖像相反。

相反，它們的作用就像波紋波，所以不能說電子本身有一個確定的位置。相反，電子位於空間的模糊區域內。所有物體都有這種波狀的行為，但對於任何大到肉眼可以看到的物體，這種影響是難以察覺，經典物理學的規則——我們沒有注意到建築物、水桶或麵包屑像波一樣散開。但是，孤立一個像原子這樣的微小物體，情況就不同了，因為原子存在於一個量子力學效應佔主導地位的大小領域。不可能確切地說它在哪裡，只能說它會在某個地方被發現。波函數提供了原子在任何給定位置被發現的概率集。

參考期刊《物理評論X》

DOI: 10.1103/PhysRevX.9.021002

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