把原子冻成一条"项链"：物理学家看到了百年前预言的量子现象

把原子排成一条线，再让它们互相吸引，会发生什么？直觉上，它们会挤成一团。但在极低温、一维的极端条件下，物理学家看到的却是另一种景象：原子像项链上的珠子一样串在一起，形成一种被称为Bethe string（贝特弦）的团簇。这个现象背后，是一个将近100年前写下的量子理论。

故事要从1931年说起。当时物理学家正试图用量子力学解释某些材料为什么会有磁性。一位名叫汉斯·贝特（Hans Bethe）的年轻物理学家盯上了一排电子——每个电子的自旋可以朝上，也可以朝下。贝特算出了这样一排电子会如何运动，并发现：如果其中几个自旋发生翻转，它们会黏在一起，作为一个整体沿着这排电子移动。

几十年后，物理学家发现贝特的方法不只适用于电子，也适用于沿一条线运动的其他粒子，比如原子。如果这些粒子之间彼此吸引，数学预测它们会结合成团簇，也就是贝特弦。

如今，物理学家在一排超冷原子中找到了这类团簇存在的证据。相关研究发表在《Nature Communications》期刊上。

这项发现未必会催生什么新设备，但它触及了物理学中一个根本性的谜题：我们身边的一切，从磁铁到手机芯片，都由无数相互作用的粒子构成，这让它们的行为极难预测。而超冷原子提供了一种清晰、可调节的方式，用来研究这类复杂系统。

研究人员此前并非没有见过贝特弦。在磁性晶体和超导量子电路里，他们都捕捉到过小的贝特弦——但那些实验每次只能捕捉到一条。理论预测，大量不同尺寸的弦聚集在一起，会改变整个系统的行为，而要研究这一点，就必须一次性造出许多条弦。用原子做到这件事一直很难：相互吸引的原子通常会塌缩成一团。

但这一次，研究团队似乎一次性造出了许多不同尺寸的弦，其中一些包含六个以上的原子。

让原子互相吸引并不容易。在三维空间里，由相互吸引的原子构成的气体会倾向于塌缩——原子挤在一起形成分子，这个过程会释放能量，把原子踢出实验装置，于是气体迅速塌缩并消失。但当它们被限制在一条线上时，行为就不同了。

"它们真的有点像线上的珍珠，对吧？就像项链上的珠子，它们没法越过彼此，"研究共同作者、因斯布鲁克大学实验物理学家汉斯-克里斯托夫·内格勒（Hanns-Christoph Nägerl）说。"在三维里，一切都会塌缩。但在一维里，它不会塌缩。"

为了造出这些"项链"，团队从数万个铯原子入手，先把它们冷却成玻色-爱因斯坦凝聚态——一种原子被冷却到接近绝对零度、共享同一个量子态的物态。随后，激光束把这份凝聚体分割成数千根细管，每根管子里最多容纳几十个原子，排成一条线。

一开始，原子之间是相互排斥的。研究人员用磁场把这种排斥逐渐调到零，再进一步变成吸引。

团队无法直接看到这些弦。他们换了个办法：放开原子，测量这团云扩散得有多快。当原子只能沿着管子方向膨胀时，弦保持完整；当原子在三个维度上都被释放时，弦会断裂，并把束缚能作为运动释放出来。研究人员发现，三维云扩散时的能量大约是一维云的三倍。

从这个差异出发，团队估算出了原子被束缚得有多紧。答案指向至少由六个原子组成的弦。测量结果也与一种名为广义流体力学的理论预测高度吻合——该理论把这样的气体描述成由多种粒子（包括不同尺寸的弦）组成的流体，追踪的是每一类粒子随时间如何流动，而不是逐个跟踪每个原子。

内格勒很谨慎，不愿称之为"证明"。"某个理论与你的数据吻合，并不能证明某个东西存在，"他说；这只是支持它的更多证据。

这些弦很可能存在时间不长。在近距离上，原子仍然感受得到三维世界，弦最终会衰变成普通的铯分子。在最冷的几轮实验中，团队损失了大约40%的原子。

"你会短暂地造出这些贝特弦态，"内格勒说。"但我不认为它们能长期存在。"

他对未来的实验有想法。物理学家最近学会了用微波屏蔽超冷分子，防止它们在近距离碰撞。由被屏蔽的分子构成的弦，或许能存活足够久，从而被直接研究。但内格勒强调，这个想法尚未经过验证。"目前还没有人对我的说法做过理论检验，但我觉得直觉上这应该可行，"他说。

另一种选择是量子气体显微镜，它能逐个对原子成像，或许能为单条弦提供更直接的证据。

对内格勒来说，贝特弦是理解多粒子量子系统如何行为、如何随时间趋于稳定的一步。他的长期目标，是做出一项实验：物理学家既能控制每个粒子如何运动，也能控制它的自旋如何翻转，从而像搭乐高一样，一块一块地组装出模型材料。他的团队已经开始了下一步：用激光控制一维气体中原子的自旋。他把贝特弦形容为"一个小小的岔路"。但由于只要原子相互吸引，这些弦就会形成，它们无法被忽视。