北京
耶魯團隊指出，科學家誤用費米黃金規則，要么是錯判了它的適用條件，要么就是錯過了可以使用它的“時間窗口”。
耶魯大學的物理學家尼爾·納馮和陳建一聚焦于量子力學中科學家經常出錯的地方，如今提供了一本“用戶手冊”來指導他們整個過程。備受關注的，正是量子物理中一條名為費米黃金規則的基本公式。科學家們并沒有把這個公式本身弄錯，而是用錯了時機。
與物理學中多數以發現者命名的定律不同，費米黃金規則其實是由英國物理學家保羅·狄拉克發現的。它以意大利裔美國物理學家恩里科·費米的名字命名，將實驗測量與量子力學系統的微觀性質聯系了起來。
這乍聽起來可能有些復雜。然而，從智能手機到隧道顯微鏡、粒子對撞機以及更多其他現代技術，都在運用費米黃金規則。
因此，科學家們相當清楚這條規則如何運作，以及如何用它來為我們造福。但根據納馮和陳的說法，科學家們也會誤用它，要么錯判了它起作用的那些條件，要么可能錯過了可以使用它的“時間窗口”。
費米黃金規則為何會被誤用？
據耶魯大學的研究人員稱，科學家們往往在兩個地方誤用黃金規則。其一，量子躍遷必須足夠弱，才能在實驗中產生微擾。其二，該規則僅在特定的觀測時間窗口內有效。
納馮和陳認為，這些條件并不像聽起來那么簡單。例如，“弱”是相對于被探測系統的能量尺度而言的，而人們事先對這些能量尺度往往知之甚少。時間窗口也很微妙，因為它只在量子系統對微擾做出響應之后才打開，并在初始狀態被改變得太厲害之前就關閉了。
研究人員指出，對于已被充分理解的系統，物理學家可以精確地求出這兩個條件，但對于粒子間存在強相互作用的系統，哪怕動用超級計算機，這也是一個無法求解的難題。
這就給那些需要借助黃金規則來解釋實驗數據的科學家們，呈現了一個奇怪的困境：知道何時應用該規則，恰恰依賴于只有實驗本身才能提供的數據。
研究人員是怎么做的？
在此前的一項研究中，這些科學家在跟準粒子打交道。準粒子是理解量子系統中相互作用的有效替代物。在實驗中，研究人員利用精確的射頻，成功改變了原子的自旋態。
在僅比絕對零度高十億分之一度左右的極低溫下，這些耶魯大學的科學家得以對原子施加極其精準的控制，以至于能清晰看到黃金規則何時在起作用。
納馮在一份新聞稿中說：“我們對量子力學中最著名的公式之一進行了檢驗，找到了它在哪里有效、在哪里失效，包括許多物理學家此前并未完全意識到的情況。我們要告訴所有使用它的人，先靜下心來，仔細審視一下自己所用的前提條件。”
由于化學、材料科學、半導體工程和量子計算等研究領域的科學家都會用到黃金規則，耶魯大學提供的這份指南將有助于加快多個領域的研究步伐。
納馮在新聞稿中說：“從某種意義上說，我們是在提高大家的警覺。這個公式固然如同金子般珍貴，但它的假設條件絕不應被當成理所當然。”
這項研究成果已發表在《自然·物理學》期刊上。
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