这种“量子隐身术”能让物质完全隐形！30年前预言的量子现象，终于被实现了
质子、中子、电子，这些组成常见物质的基本粒子都属于费米子，它们都遵循一条基本的量子规律：泡利不相容原理。这个原理让物体拥有了体积，并且不同的物体所占据的空间不会重合。在特定条件下，泡利不相容原理还能导致另一种奇异的现象：让物质隐形。这个三十多年前的理论预测，最近终于被科学家们在实验室中实现了。这是否意味着，我们有望制造出哈利·波特的隐形斗篷？
撰文｜白德凡审校｜王昱
我们早已习惯了每个物体都有明确的边界和体积：我们能够牢靠地站在地面上，不用担心脚会变成大地的一部分；两个台球无论怎么碰撞，也不会同时占据同一个位置。即使发生形变，两个物体所占据的空间也不会重合。这个日常现象很早就引发过哲学家的研究，哲学家称之为“广延性”（extension），并一度拿它作为物质的定义。而直到现代物理学发展后，我们才从微观角度找到了相应的解释：物质的广延性，其实是一种量子效应的结果。
我们身边的物质是由原子构成的，而原子的主要成分质子、中子、电子都属于费米子。在费米子组成的系统中，不能有两个或两个以上的同种粒子处于完全相同的状态，这被称作泡利不相容原理。正是这条规则阻止了单个原子的全部电子都挤入最低能级上；相反，这些电子在原子核的外围相互排斥、堆叠，形成了壳层结构，让原子占据了远大于其原子核的空间。而这些原子也不能处于完全相同的状态，因而会各自占据不同的空间。最终形成的宏观物体，就表现出了“体积”这种性质，并且不同物体所占据的空间也不会重合。这就是我们熟悉的物质的广延性。
锂原子电子壳层结构示意图。正是泡利不相容原理让核外电子有了不同的轨道，最终形成层级结构。（图片来源：Greg Robson）
世界上还存在另一类粒子，例如光子，属于玻色子。玻色子并不遵循泡利不相容原理，这意味着许多粒子可以处于完全相同的状态。假如你进入玻色子的世界，你周围的“物质”都是由玻色子构成的，那么你会发现，这些“物质”都失去了广延性：走路时你的脚会变成地面的一部分；甚至你身体的各个部位，在适当的条件下也会“融为一体”。在玻色子的世界里，“物体”没有边界可言，分不清哪里是“里”，哪里是“外”。
表现一个粒子作用过程的费曼图。在这个过程中，一对电子-正电子相互湮灭，生成光子（蓝线表示），随后产生夸克-反夸克对，反夸克再释放出一个胶子（绿线表示）。其中的电子、正电子、夸克、反夸克都是费米子，它们构成我们日常意义上的物质；而光子和胶子都是玻色子，它们负责传递物质间的相互作用。（图片来源：Wikipedia）
物质失去广延性的世界或许太过离奇，难以想象。好在在我们的宇宙中，物质都是由费米子构成的，而玻色子负责传递物质间的相互作用，并不构成我们日常意义上的物质。于是，物质的广延性得到了泡利不相容原理的保障。你不用担心一觉醒来会和床变得“不分彼此”了。
如果说物体具有广延性的现象大家早已见惯不怪了，那么泡利不相容原理的另一种结果或许能让人大吃一惊：它能让物质隐形。
泡利阻塞现象
我们之所以能看见物体，是因为物体反射的光线进入了我们的眼睛。从微观角度上看，光的反射源自原子对光子的散射。而物体是由费米子构成的，在适当的条件下，泡利不相容原理会导致光无法散射，从而使物体不可见。
理解这一点需要一点量子力学知识。根据波粒二象性，对于一个微观粒子系统，我们既可以把它看成是一堆粒子，也可以看成一堆物质波。我们选择后者，以波动的观点来理解这个过程会更简单些。
一个费米子系统就是一堆物质波构成的系统。这个系统所处的约束条件决定了，这些物质波可以以一些特定分立的模式振动。在这种情况下，泡利不相容原理可以表述为，每种振动模式最多容纳一个物质波。我们可以把物质波的振动模式比作剧场里的座位，而物质波就像是一个个观众。座位可以空着，也可以坐上一位观众，但是不允许同一个座位上出现两名或更多的观众。
一般来说，系统里的“座位”数目远多于“观众”数目。通常情况下，这些物质波可以随机地以各种模式振动。然而如果该系统的能量减小到一定程度，这些物质波会尽可能地以能量最低的模式振动。好比演出无需对号入座时，所有观众都会尽可能挤向最前排座位一样。
物质波与振动模式的关系可以比作观众与座位的关系。当费米子系统温度较高时（如左图），物质波会随机地以各种模式振动，其近邻的振动模式可能是空缺的；当系统温度非常低时（如右图），所有的物质波都会尽可能以能量最低的模式振动，其近邻振动模式大概率被占据了。（图片来源：MIT）
当这个系统处于前一种状态时，假如有光波入射，相互作用下，一部分物质波会将振动模式改变为近邻的模式——就像剧场中的观众挪到临近的座位上——同时将光波散射出去。而当系统处于后一种状态时，入射光波试图改变物质波的振动模式，然而此时能量最低的几种振动模式都有物质波占据，并没有调整的空间。就好比所有的观众都挤在最前排座位，此时你让其中某一位观众挪到旁边的座位上，他大概率会发现，前后左右的座位上都坐满了人。于是入射光波不会被散射，相反，光直接透射了过去。我们看不到这种物质散射过来的光，就会认为它是隐形的。
就这样，在泡利不相容原理的限制下，这种费米子系统实现了隐形。这种现象早在30年前就被提出了，被称为“泡利阻塞”（Pauli blocking）现象。然而科学家们直到最近才在实验室中观察到这种现象，这是因为，这种“量子隐身术”的发生条件太过苛刻了。
极冷超密气体
让一个费米子系统实现隐形，需要多么苛刻的条件呢？首先，这个系统需要处在气态，成为“简并费米气体”（degenerate Fermi gas）；其次，这团气体需要处在极低的温度和极高的密度中。
本月发表于《科学》杂志的一项研究中，麻省理工学院的研究人员终于在锂原子气体中观察到了泡利阻塞现象。研究人员将气体原子用磁阱捕获后，用激光轰击这些原子。激光束中的光子经过精细调制，它们只与相向运动的原子碰撞，使原子速度变慢，气体因而冷却下来。通过这种方式，这团锂原子气体冷却到了20微开尔文，只比绝对零度高一点。随后，研究人员使用另一束高度聚焦的激光将气体压缩到每立方厘米约1千万亿个原子的密度，得到了超高密度的超冷气体。
用激光冷却和压缩原子气体的示意图。（图片来源：N. Hanacek/NIST）
最后，为了观察这团超冷原子气体的隐形程度，研究人员用将第三束激光照向原子气体，并用超敏感相机来记录散射光子。结果正如理论预测，超冷原子气体散射的光比室温下减少了38%，气体明显变暗了。如果温度进一步逼近绝对零度，这团气体将变得完全看不见。
无独有偶，同一期《科学》杂志还刊登了另外两个研究团队的成果，他们也各自独立地实现了泡利阻塞现象。来自美国国家标准与技术研究所（NIST）与科罗拉多大学的联合研究机构JILA的研究人员，将锶原子气体降温到纳开尔文的水平，观察到气体沿小角度散射的光减少了50%。另外，新西兰奥塔戈大学的研究团队在超冷的钾原子气体中也观察到了类似的泡利阻塞现象。
JILA的研究人员使用蓝色激光测量超冷原子气体对光的散射情况。（图片来源：C. Sanner/JILA）
科学家们在实验室中实现了让物质隐形的量子效应，这是否意味着，我们有方法实现宏观物体的隐形了呢？甚至像哈利·波特的隐形斗篷那样，让自己隐身起来？但事情并没有这么简单——至少，你得把自己变成一团费米气体。
真正有实用价值的场景是开发光抑制材料，提高量子计算机的效率。量子计算机中的信息由光子携带，在传输过程中，光子容易与环境发生相互作用而发生退相干，将信息泄露出去。而泡利阻塞效应也许能给研究人员提供一种维持光子状态的新思路，从而保障量子计算的安全性。如果相关技术实现了，量子计算机因而得到了普及，那么我们将又获得一种途径，从日常生活中感受泡利不相容原理这条基本的量子规律。
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