研究人员利用蓝色激光来检测气体透明度的增加

美国趣味科学网站近日报道，几十年前预言的一种奇异的量子效应终于得到证明——如果能够让一团气体变得足够冷且足够致密，那么就能让它隐形。

麻省理工学院的科学家用激光挤压并冷却锂气体，使其密度和温度变化到足以减少光散射量的程度。这些科学家说，如果他们能让这团气体的温度降到更接近绝对零度（零下273.15摄氏度），那么这团气体将变得完全看不见。

这种奇异的效应是名为泡利阻塞的量子力学过程的史上首个具体例子。

研究报告资深作者、麻省理工学院物理学教授沃尔夫冈·克特勒说：“我们观察到的现象是泡利阻塞一种非常特殊和简单的形式，也就是阻止一个原子做所有原子天然会做的事情：散射光子。这是首次清楚地观察到这种效应的存在，展示了物理学的一种新现象。”

泡利阻塞源自奥地利著名物理学家沃尔夫冈·泡利于1925年首次提出的泡利不相容原理。泡利假定，一切处于相同量子态的费米子——如质子、中子和电子——都不能处于同一空间。

报道称，因为在诡异的量子水平上只存在数量有限的能量状态，这迫使原子中的电子组成能级更高的壳，在距离原子核更远的轨道上旋转。这还使不同原子的电子彼此保持距离，因为根据著名物理学家弗里曼·戴森在1967年参与撰写的一篇论文，如果没有这个不相容原理，那么所有原子都会塌陷在一起并释放巨大能量。

泡利不相容原理也适用于气体中的原子。通常情况下，气体云中的原子有很大的弹跳空间。这意味着，尽管它们可能是受泡利不相容原理约束的费米子，但有足够多未被占据的能级供它们跃迁。将一个光子送入一团相对温暖的气体云，它撞上的任何原子都能与它相互作用，吸收它带来的动量，退回到一个不同的能级上并将光子散射出去。

但是，如果让气体冷却下来，情况就会不同。现在，原子失去能量，占满了所有可用的最低能级，形成费米海。这些粒子现在被彼此包围，既不能上升到更高能级，也不能下降到更低能级。

研究人员解释说，在这种情况下，这些聚集在壳里的粒子就像座无虚席的音乐厅里的听众一样，即使被击中也动弹不得。由于排列过于紧密，这些粒子无法再与光相互作用。光被泡利阻塞了，只能径直穿过。

克特勒说：“一个原子散射光子的前提是，通过移动到另一个‘座位’上来吸收光子撞击产生的力。如果其他‘座位’都被占了，那么原子就不能吸收冲击力和散射光子。因此，原子变得透明。”

报道称，在这项研究中，科研人员调整了激光束中的光子，使它们只撞击与它们反向移动的原子，从而使原子变慢并变冷。科研人员将锂气体云的温度降至略高于绝对零度。然后，他们使用另一束紧聚焦激光将这些原子的密度压缩到每立方厘米约1000万亿个的创纪录水平。

接下来，为了弄清过冷原子的隐形程度，这些物理学家用第三束也是最后一束激光照射原子，并用一个高度敏感的摄像头统计了散射光子的数量。他们对这束激光进行了精心校准，以免改变气体的温度或密度。正如他们的理论所预测的那样，与室温下的原子相比，被冷却和压缩的原子散射的光少38%，这使它们的亮度显著降低。

为了证明这种效应，另两个独立研究的小组也冷却了另外两种气体，即钾和锶。这三篇证明泡利阻塞的论文都于11月18日发表在美国《科学》周刊上。

报道称，现在，研究人员终于证明了泡利阻塞效应，未来有望利用这一效应来开发抑制光的材料。这对于提高量子计算机的效率尤其有用，因为量子计算机的发展目前受到量子退相干的阻碍。量子退相干是指，（由光携带的）量子信息散失至计算机周围环境中。

克特勒说：“每当我们要控制量子世界、比如在处理量子计算机问题时，总会遇到光散射的问题。这意味着，信息会从量子计算机中泄露。这项研究揭示了一种抑制光散射的方法，我们正在为控制原子世界这个主题作贡献。”（据《参考消息》）