科学家破解量子领域世纪之谜

但在原子的微观世界中，事物行为奇特——遵循量子物理的奇异法则。佛蒙特大学教授丹尼斯·克劳赫蒂及其学生丁南（音译）思考：原子世界是否存在与牛顿世界中吉他弦振动类似的行为系统？克劳赫蒂提出疑问："若存在，我们能否构建阻尼谐振子的量子理论？"

在2025年7月7日发表于《物理评论研究》期刊的论文中，他们实现了这一目标：针对模拟"阻尼量子谐振子"行为的模型找到了精确解——即在原子尺度再现了吉他弦型运动。

研究显示，近90年来理论物理学家试图用量子理论描述这类阻尼谐振系统，但成果有限。"难点在于如何维护海森堡不确定性原理——量子物理的基石原则，"自1992年起任佛蒙特大学物理教授的克劳赫蒂解释道。不同于弹跳皮球或抛物线轨迹火箭等宏观尺度现象，著名的海森堡不确定性原理表明：粒子位置与动量的测量精度存在根本性制约。在原子尺度上，对某一属性测量越精确，另一属性的可知性就越低。

被"切碎"的兰姆模型

佛蒙特大学物理学家研究的模型最初由英国物理学家霍勒斯·兰姆于1900年构建，早于海森堡的诞生及量子物理的发展。兰姆旨在描述固体中振动粒子如何向固体传递能量。运用牛顿运动定律，他证明粒子运动产生的弹性波会反馈作用于粒子本身，导致其发生阻尼——即随时间推移振动能量逐渐衰减。

"经典物理中，物体因摩擦、空气阻力等因素振动时必然损失能量，"丁南指出，"但在量子领域这种现象并不直观。"

克劳赫蒂与丁南（2024年获佛蒙特大学物理学学士学位，2025年获硕士学位，现为该校数学博士生）在美国国家科学基金会及NASA支持下，将兰姆模型重构至量子体系并求得其解。"为维护不确定性原理，必须详尽纳入原子与固体中其他原子的相互作用，"克劳赫蒂阐释道，"这属于典型的多体问题。"

微型工具？

他们如何破解难题？系好安全带："通过多模博戈留波夫变换——该变换对角化系统哈密顿量以确定其性质"，由此产生名为"多模压缩真空态"的状态。若未能完全理解，简而言之：研究者通过数学重构兰姆系统，使原子振荡行为得以精确完整描述。

精确定位单个原子位置或将催生世界最小卷尺：量子距离测量新方法及超精密传感技术。这些潜在应用源于该项研究的重要推论：它预测了原子位置不确定性如何随其与固体中其他原子相互作用而变化。"降低此不确定性可使位置测量精度突破标准量子极限，"克劳赫蒂表示。物理学存在终极限制，如光速——而海森堡不确定性原理阻止了对粒子的完美测量。但通过特定量子手段可突破常规限制压缩这种不确定性：本研究中，通过计算粒子在特殊"压缩真空态"中的行为，增强动量变量量子随机噪声以削弱位置变量噪声。

此类数学操作正是首台成功引力波探测器背后的核心技术，该设备能测量比原子核小千倍的距离变化——此项成果于2017年获诺贝尔奖。佛蒙特理论家对百年兰姆模型提出的量子新解将揭示何种奥秘，犹未可知。