科学家最终破解百年量子谜题

但在原子的微观世界中，一切都显得奇特——且遵循量子物理的奇异法则运作。佛蒙特大学（UVM）教授丹尼斯·克劳赫蒂（Dennis Clougherty）与其学生丁楠（Nam Dinh）曾思考：是否存在某些原子尺度的系统，其行为类似于牛顿世界中吉他弦的振动模式？克劳赫蒂提出疑问："若存在，我们能否构建阻尼谐振振荡器的量子理论？"

在2025年7月7日发表于《物理评论研究》（Physical Review Research）期刊的一项研究中，他与丁楠取得了突破：精确求解了表现为"阻尼量子谐振振荡器"的模型——即在原子尺度上实现类似吉他弦振动的运动模式。

事实上，近90年来理论物理学家始终尝试用量子物理学描述这类阻尼谐振系统，但成果有限。"难点在于如何坚守海森堡不确定性原理——量子物理学的基石原则，"自1992年起任职于UVM的物理学教授克劳赫蒂解释道。与弹跳球体或抛物线轨迹的宏观世界不同，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，某一属性测量精度越高，另一属性的可确定性就越低。

兰姆切除（Lamb Chopped）

UVM物理学家研究的模型最初由英国物理学家霍勒斯·兰姆（Horace Lamb）于1900年构建——远在维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）出生之前，更早于量子物理学的诞生。兰姆旨在描述固体中振动粒子如何向固体环境耗散能量。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自身，导致其发生阻尼效应——即粒子振动能量随时间逐渐衰减。

"在经典物理中，物体振动或振荡时会因摩擦、空气阻力等因素损失能量，"丁楠阐述道，"但在量子领域这并非显而易见。"

在美国国家科学基金会（NSF）和美国国家航空航天局（NASA）支持下，克劳赫蒂与丁楠（2024年获UVM物理学学士学位，2025年获硕士学位，现于UVM攻读数学博士学位）将兰姆模型重构至量子框架并求得其解。"为维护不确定性原理，必须详尽纳入原子与固体中所有其他原子的相互作用，"克劳赫蒂阐释道，"这属于所谓多体问题范畴。"

微型工具？

他们如何攻克此难题？请做好准备："通过多模玻戈留波夫变换（multimode Bogoliubov transformation）——该变换使系统哈密顿量对角化并得以确定其性质，"研究报告中写道，由此产生名为"多模压缩真空态"（multimode squeezed vacuum）的特殊量子态。若对此感到费解，简言之：UVM研究团队通过数学重构使兰姆系统能够以精确术语完整描述原子的振荡行为。

精确定位单个原子的位置有望催生全球最微型卷尺：测量量子距离的新方法及超精密传感器技术。这些潜在应用源于UVM科学家新发现的重要推论：该理论预测了原子位置的不确定性如何随其与固体中其他原子的相互作用而变化。"通过降低这种不确定性，可将位置测量精度提升至标准量子极限之下，"克劳赫蒂指出。物理学中存在终极极限（如光速），而海森堡不确定性原理亦阻止了对粒子的完美测量。但借助特定量子操控手段（本案例中通过计算粒子在特殊"压缩真空态"下的行为），可突破常规极限降低不确定性——该状态通过增加某变量（动量）的量子随机噪声来抑制另一变量（位置）的噪声。

此类数学手段曾促成首台引力波探测器的成功研制（其可测量比原子核小一千倍的距离变化，相关成果获2017年诺贝尔奖）。佛蒙特州理论物理学家对百年兰姆模型提出的全新量子解将揭示何种奥秘，让我们拭目以待。