藏在中子碰撞里的信號，被中國科學(xué)家首次捕捉

利用自主研發(fā)的專用氣體探測器和像素讀出芯片，由中國科學(xué)院大學(xué)主導(dǎo)的聯(lián)合研究團(tuán)隊，首次在實驗中直接觀測到中子與原子核碰撞過程中的米格達(dá)爾效應(yīng)，不僅證實了87年前的量子力學(xué)預(yù)言，也為搜尋宇宙中更輕的暗物質(zhì)粒子提供了關(guān)鍵實驗依據(jù)。相關(guān)研究成果15日發(fā)表于《自然》雜志。

蘇聯(lián)物理學(xué)家阿爾卡季·米格達(dá)爾于1939年提出米格達(dá)爾效應(yīng)。該效應(yīng)描述了一種量子現(xiàn)象：粒子撞擊原子核時，可能把部分能量傳遞給核外的電子，使得電子可能脫離原子核束縛。這一過程可將原本難以探測的微弱信號轉(zhuǎn)化為可觀測的電信號，為捕捉輕暗物質(zhì)提供了可能。

“米格達(dá)爾效應(yīng)被認(rèn)為是突破輕暗物質(zhì)探測能量閾值的關(guān)鍵理論路徑。但80多年來，中性粒子碰撞中的米格達(dá)爾效應(yīng)始終未被實驗直接證實，這也使得依賴該效應(yīng)的暗物質(zhì)探測實驗，始終面臨理論假設(shè)缺乏實驗支撐的質(zhì)疑?！闭撐耐ㄓ嵶髡?、中國科學(xué)院大學(xué)教授鄭陽恒說。

在這項研究中，研究團(tuán)隊成功捕捉到中子與原子核作用時出現(xiàn)的米格達(dá)爾效應(yīng)事例，統(tǒng)計顯著性超過5倍標(biāo)準(zhǔn)差，達(dá)到物理學(xué)“發(fā)現(xiàn)”標(biāo)準(zhǔn)；同時精準(zhǔn)測量出了米格達(dá)爾效應(yīng)截面與原子核反沖截面的比值。

量子力學(xué)的誕生

量子力學(xué)與相對論共同構(gòu)成了現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)。契機(jī)源自熔化后的黏稠高溫鐵水發(fā)出的光。為了闡明受熱物體的溫度與發(fā)光顏色之間的關(guān)系，誕生了能量的最小單位“量子”這一概念。

研究與量子相關(guān)現(xiàn)象的科學(xué)理論，一般稱為“量子理論”。量子理論中，研究量子的運動和作用于量子的力等的物理學(xué)理論稱為“量子力學(xué)”。讓我們一起回顧量子力學(xué)在100年前是如何誕生的。

·1900年 量子假說

量子理論起源于德國物理學(xué)家馬克斯·普朗克（1858～1947）在1900年發(fā)表的關(guān)于“黑體輻射”的公式。

·1905年 光量子假說

1905年，26歲的德國物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦（1879～1955）發(fā)表了“光量子假說”。光量子假說是指被視為波的光實際上也是粒子。愛因斯坦把光的粒子稱為“光量子”。

·1923年 波粒二象性

法國物理學(xué)家路易·德布羅意（1892～1987）深受愛因斯坦光量子假說的影響。1923年，31歲的德布羅意提出了一個非常大膽的學(xué)說，即“就像被視為波的光具有粒子的性質(zhì)那樣，被視為粒子的電子等也具有波的性質(zhì)”，并認(rèn)為光所展現(xiàn)的“波粒二象性”也可以擴(kuò)展到電子和原子等所有的物質(zhì)粒子。

·1925年 矩陣力學(xué)

丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾（1885～1962）將量子理論的觀點應(yīng)用于原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，于1913年發(fā)表了關(guān)于原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的具有劃時代意義的論文，即電子在原子內(nèi)部沿著離散的軌道運動。

·1926年 波動力學(xué)

德國物理學(xué)家海森伯的矩陣力學(xué)論文于1925年12月刊登在專業(yè)期刊上。僅僅幾個月后的1926年3月，奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤（1887～1961）創(chuàng)建的“另一種量子力學(xué)”的論文就在另一個專業(yè)期刊上發(fā)表了，這就是“波動力學(xué)”。

·1926年 波動力學(xué)

德國物理學(xué)家海森伯的矩陣力學(xué)論文于1925年12月刊登在專業(yè)期刊上。僅僅幾個月后的1926年3月，奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤（1887～1961）創(chuàng)建的“另一種量子力學(xué)”的論文就在另一個專業(yè)期刊上發(fā)表了，這就是“波動力學(xué)”。

·1927年 哥本哈根詮釋

1927年9月，丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾在意大利召開的國際物理學(xué)會上發(fā)表了基于互補(bǔ)性觀點的量子力學(xué)新詮釋。

玻爾表示，當(dāng)觀測電子位于何處時，在空間中擴(kuò)散的電子波（概率分布）會瞬間坍縮到一點，結(jié)果電子就會作為粒子在某個位置被觀測到。這樣考慮的話，作為波的性質(zhì)和作為粒子的性質(zhì)就完美并存。

·1927年 索爾維會議

1927年10月，一場歷史性會議在比利時布魯塞爾召開，量子理論的主要研究學(xué)者齊聚一堂。這就是第5屆索爾維會議。

為了討論量子力學(xué)及其相關(guān)問題，除了量子理論的創(chuàng)始人普朗克、愛因斯坦之外，會議還邀請了玻爾、海森伯等人。量子力學(xué)的意義，即詮釋問題，是本屆會議尤其重要的一個主題。

......

自20世紀(jì)20年代誕生以來，量子力學(xué)主要發(fā)展為三個方向。第一個是原子核和基本粒子的研究，目的是闡明物質(zhì)的基本單位。第二個是哥本哈根詮釋是否正確等有關(guān)量子力學(xué)詮釋問題的研究，第三個是向物質(zhì)科學(xué)方面的發(fā)展，旨在闡明物質(zhì)展現(xiàn)的多種性質(zhì)，制造有用的物質(zhì)。

隨著量子力學(xué)不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)和社會發(fā)生了巨大變化，比如發(fā)現(xiàn)了各種基本粒子，研發(fā)出應(yīng)用半導(dǎo)體的計算機(jī)等。未來100年，以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)也將帶動社會的不斷發(fā)展。想了解更多關(guān)于量子力學(xué)誕生的故事？那你一定不能錯過《科學(xué)世界》2025年第9期特輯——《量子力學(xué)100年》！