在氢气和惰性气体碰撞中检测到量子效应

由量子物理学家ChristianeKoch教授领导的柏林自由大学研究小组展示了氢分子与氦或氖等惰性气体原子碰撞时的行为。在《科学》杂志上发表的一篇文章中，研究人员描述了他们如何使用模拟来绘制实验数据与量子物理学理论模型之间的联系。

该研究包括理论计算以及在多特蒙德大学和以色列魏茨曼科学研究所进行的原子和分子实验中收集的数据。该团队能够证明碰撞改变了分子在量子力学定律下振动和旋转的方式。量子力学领域的研究在当今世界继续变得重要。诸如此类的发现可以应用于移动电话、电视、卫星和医疗诊断技术的开发。

此处观察到的量子效应称为Feshbach共振。“碰撞后的短暂瞬间，氢分子和稀有气体原子形成化学键然后再次分离，”柏林自由大学的科赫教授解释说。

然而，尽管对一个相对较小和简单的系统进行了极其详细的测量和计算，研究人员距离重建氢-惰性气体碰撞的完整量子力学特性还有很长的路要走。“这是由于量子力学的一个基本现象：当涉及到测量时，你无法绕过经典物理学的基本原理。这造成了一个困境：我们能够在数学上描述量子力学的某些现象抽象术语，但仍需要使用经典物理学中的概念来充分理解它们，”科赫解释道。

当原子和分子不再能够通过它们占据的位置和它们移动的速度来充分描述时，就会出现量子效应——即无法用经典物理学规则解释的行为类型。科赫说：“它们显示出我们与波分散相关的特征，例如干扰，这意味着波的建设性或破坏性分层。”最重要的是，还有其他现象，例如纠缠，当量子力学对象尽管在空间上相距甚远但彼此立即产生影响时，就会发生这种现象。

量子效应通常出现在非常小的物体领域，例如原子和分子，而且这些物体几乎不受其环境的影响。后者是在非常短的时间内或在接近绝对零(-273.15°C)的极低温度下实现的。“在这些情况下，这些粒子只能使用少量所谓的量子态。该系统基本上以有序的方式运行，”科赫说。

更高的温度允许粒子中有更多的量子态，并且当量子力学效应以统计平均值分布在各种状态时趋于均匀，因此基本上从视野中消失。在这种状态下，系统的行为更加随机，可以使用统计数据来描述。到目前为止，即使是最冷的原子-分子碰撞也显示出这种统计上可预测的行为。“这使得几乎不可能就原子和分子之间的相互作用得出任何结论，这意味着我们无法在现实生活中的实验数据和理论模型之间建立直接联系，”科赫解释道。