惊人的图像展示了原子转变成量子波的过程——正如薛定谔所预测的那般精确

物理学家首次捕捉到了单个原子表现出波状行为的清晰图像。

这张图像显示了荧光原子的鲜红色点逐渐转变成波包的模糊斑点，这是量子力学基石之一——原子同时存在为粒子和波的概念——的惊人展示。

发明成像技术的科学家们在预印本服务器arXiv上发表了他们的发现，因此他们的研究尚未经过同行评审。

研究人员在论文中写道：“物质的波动性质仍然是量子力学中最引人注目的方面之一。”他们补充说，他们的新技术可以用来成像更复杂的系统，为物理学中的一些基本问题提供洞见。

波粒二象性的概念最早由法国物理学家路易·德布罗意在1924年提出。德布罗意是一位贵族和物理学家，他在研究光的性质时，意识到光虽然表现出波动性，但在某些实验中，如光电效应，却表现得像粒子。他推测，如果光可以表现出粒子性，那么实物粒子，如电子，也应该表现出波动性。这个想法颠覆了当时物理学界对物质的传统认识。

两年后，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔进一步发展了这个概念，并提出了著名的薛定谔方程。这个方程式是量子力学中描述微观粒子状态的基本方程，它告诉我们一个粒子的波动性质如何随时间和空间变化。薛定谔方程的解，通常被称为波函数，可以告诉我们粒子在某个位置被发现的概率。

波粒二象性的概念通过多种实验得到了证实。例如，在双缝实验中，当电子通过两个紧挨着的缝隙时，它们在屏幕上形成了干涉图样，这是波动特有的现象。然而，当我们试图观察哪个缝隙电子通过时，干涉图样消失了，电子表现得像是粒子。这个实验展示了量子粒子的波动性和粒子性不是同时可观测的，而是根据观察方式的不同而表现出不同的性质。

在量子力学中，波粒二象性是物质的基本属性。粒子不具有确定的轨迹，而是以概率波的形式存在于空间中。当我们测量粒子的位置时，波函数“坍缩”，粒子的位置才变得确定。这种非直观的行为是量子世界的核心特征之一，也是量子力学与我们日常经验中的经典物理世界的主要区别。

薛定谔著名的方程式通常被物理学家解释为原子在空间中以波状概率包的形式存在，然后在观察时塌缩成离散的粒子。尽管这一量子世界的奇异属性与直觉相悖，但在众多实验中已被观察到。

为了成像这种模糊的二象性，物理学家首先通过激光中的光子或光粒子轰击锂原子，剥夺它们的动力，将它们冷却到接近绝对零度的温度。原子冷却后，更多的激光将它们困在光学晶格中，成为离散的包。

原子冷却并限制后，研究人员定期开启和关闭光学晶格——将原子从受限的近粒子状态扩展到类似波的状态，然后再变回。显微镜相机记录了粒子状态下原子在两个不同时间发出的光，而在两者之间，原子表现得像波。通过组合许多图像，作者构建了这个波的形状，并观察到它随时间的扩展，完全符合薛定谔方程。

这项成像方法包括重新开启晶格，将每个波包投影到一个单一的井中，使它们再次成为粒子——它不再是波了，研究的共同作者、法国国家科学研究中心和巴黎高等师范学院的物理学家塔里克·耶夫萨说。“你可以将我们的成像方法看作是采样波函数密度的一种方式，类似于CCD相机的像素。”CCD相机是一种使用电荷耦合器件捕捉图像的常见数字相机类型。

科学家们表示，这张图像只是一个简单的演示。他们的下一步将使用它来研究那些不太为人所了解的强相互作用原子系统。

“研究这样的系统可以提高我们对奇异物质状态的理解，例如那些在极其密集的中子星核心中发现的状态，或者在大爆炸后不久被认为存在的夸克-胶子等离子体，”耶夫萨说。