物理学突破，人类第一次能够在实验上，直接观察一个原子的波函数

物理学家又一次突破了极限。

巴黎高师和法国国家科学研究中心（CNRS）的研究人员，开发出了一种新方法，直接成像单个原子波包在连续空间中的演化。这一成果已经在《物理评论快报》（PRL）上发表，精度突破99%，是目前最精确的单原子波函数测量手段之一。

为什么这很重要？因为这是人类第一次能够在实验上直接观察一个原子的波函数，而不是间接推导。在此之前，所有的量子力学测量都依赖于间接探测，而不是直接成像。这个实验，本质上就是给量子世界装上了一个“CCD相机”。

实验对象是超冷的锂-6原子。温度低至绝对零度以上几个十亿分之一度，处于近乎静止的状态。

但真正的突破点在于研究方法。研究团队采用了光学晶格（optical lattice）来捕捉原子。

光学晶格是什么？可以理解为用激光制造的“蛋盒子”，每个“蛋槽”里可以困住一个原子。这个方法已经在冷原子物理中使用多年，但以前只是用来操控原子，而不是用来成像。

研究团队的关键思路是，先让原子自由扩散，然后再用光学晶格重新捕获。

他们先在光学晶格中冷却和囚禁单个原子，确保它们的初始位置已知。然后关闭光学晶格，让原子波包在连续空间中扩散，使其完全丧失初始位置记忆。等波包扩散到一定规模，再重新打开光学晶格，将原子捕获到最近的“蛋槽”中。

这就实现了一个关键功能——从连续空间投影到离散晶格，精准测量原子位置分布。

这一实验的核心挑战是，如何确保原子不会在重新捕获时跳到远处的晶格点？如果跳动过大，测量数据就会被严重污染。研究人员通过精确控制光学晶格开启速度，找到了一个“甜点区间”，确保几乎所有的原子都回到最近的晶格点，测量精度达到99%以上。

结果就是，实验团队获得了一张超高分辨率的单原子波函数“照片”。

这直接验证了薛定谔方程对自由粒子波包扩散的预测。换句话说，这是对量子力学基本理论的一次最直接的实验验证之一。

但这只是第一步。

研究团队在随后的实验中，将这项技术应用到了更复杂的费米气体系统，直接揭示了其中原子的集体行为。这意味着，这种成像方法不仅可以用来研究单个粒子，还能用于探测复杂的多体量子系统。

费米气体是一种特殊的量子系统，其中粒子必须遵守泡利不相容原理，不能占据相同的量子态。这使得它们的行为异常复杂，理论计算极其困难。

以往，研究费米气体的主要方法是间接推导，比如通过测量整体性质来推算个体行为。而这次，研究团队直接“拍”到了原子在费米气体中的排列和运动模式。

这些实验背后的更大目标，是研究强相互作用超流体。

超流体是量子力学中最奇异的现象之一，粒子可以无摩擦流动。这种现象广泛存在于物理学的各个领域，从液态氦到中子星内部，都有超流体的影子。但一旦涉及强相互作用系统，理论预测就变得极为困难。

比如，在费米气体中，当原子之间的相互作用足够强时，它们会成对结合，形成类玻色子的复合粒子。这些复合粒子可以形成超流体，但它们的确切行为，长期以来一直难以精确测量。

而这次的实验，提供了一种全新的直接观察手段。

研究团队已经开始用这个方法，分析强相互作用超流体的内部结构。未来，这种方法可能会用于探测更多的复杂量子态，比如拓扑量子物态、非平衡量子态等。

这项技术的一个关键优点是，它适用于任何足够稀疏的量子系统。这意味着，它不仅限于冷原子实验，还可能应用于更广泛的物理体系，比如光子系统、半导体量子点，甚至某些凝聚态材料。

换句话说，这不仅是一个实验突破，更是一个全新的量子成像方法。

物理学家已经在用它，打开量子世界的大门。