科学家们最终破解百年量子谜题

但在原子的微观世界里，事物显得诡异——它们遵循量子物理的奇异法则运作。佛蒙特大学教授丹尼斯·克拉夫特里及其学生丁南（Nam Dinh）思考：原子世界是否存在与牛顿世界中吉他弦振动相似的系统？克拉夫特里追问："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》期刊的一项研究中，他们实现了突破：针对一种表现为"阻尼量子谐振子"的模型找到了精确解——这本质上是在原子尺度上实现的吉他弦式振动。

研究表明，近90年来理论物理学家尝试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——量子物理学的基本法则，"自1992年起担任佛蒙特大学物理学教授的克拉夫特里解释道。与宏观世界（如弹跳的球体或抛物线运动的火箭）不同，著名的海森堡不确定性原理表明：粒子位置与动量的同步测量精度存在根本性限制。在原子尺度上，某一属性测量越精确，另一属性的可确定性就越低。

羔羊解构

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（Horace Lamb）于1900年构建，早于维尔纳·海森堡的诞生，更远在量子物理发展之前。兰姆致力于阐释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本身，导致其阻尼——即振动能量随时间持续衰减。

"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，"丁南指出，"但这在量子领域并不显著。"

在美国国家科学基金会和NASA支持下，克拉夫特里与丁南（2024年获佛蒙特大学物理学学士学位，2025年获硕士学位，现于该校攻读数学博士学位）对兰姆模型进行了量子化重构并求得其解。"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，"克拉夫特里阐明，"这正是所谓多体问题。"

微观工具？

他们如何破解难题？系好安全带："通过多模博戈留波夫变换——该变换使系统哈密顿量对角化，从而确定其性质——"研究者写道，最终得到名为"多模压缩真空"的状态。若您对此感到费解，简言之佛蒙特大学团队通过数学重构兰姆系统，实现了原子振荡行为的精准全描述。

精确定位单个原子的位置或将催生世界最小卷尺：测量量子距离的新方法及超精密传感技术。这些潜在应用源于佛蒙特大学科学家新研究的重要推论：该理论预测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。"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以下，"克拉夫特里表示。物理学存在终极限制（如光速），而海森堡不确定性原理阻碍了对粒子的完美测量。但通过特定量子技巧——此案例中即计算粒子在特殊"压缩真空态"的行为——可突破常规限制降低不确定性：通过在某变量（动量）上增加量子随机噪声，来抑制另一变量（位置）的噪声。

此类数学操作正是首款成功引力波探测器背后的核心原理，其测距精度可达原子核直径的千分之一——该成果赢得了2017年诺贝尔奖。佛蒙特理论物理学家对百年兰姆模型提出的新量子解将揭示何等奥秘，犹未可知。