首次！中国科学家证实87年前量子力学预言 | 科学世界·前沿

藏在中子碰撞里的信号，被中国科学家首次捕捉

利用自主研发的专用气体探测器和像素读出芯片，由中国科学院大学主导的联合研究团队，首次在实验中直接观测到中子与原子核碰撞过程中的米格达尔效应，不仅证实了87年前的量子力学预言，也为搜寻宇宙中更轻的暗物质粒子提供了关键实验依据。相关研究成果15日发表于《自然》杂志。

苏联物理学家阿尔卡季·米格达尔于1939年提出米格达尔效应。该效应描述了一种量子现象：粒子撞击原子核时，可能把部分能量传递给核外的电子，使得电子可能脱离原子核束缚。这一过程可将原本难以探测的微弱信号转化为可观测的电信号，为捕捉轻暗物质提供了可能。

“米格达尔效应被认为是突破轻暗物质探测能量阈值的关键理论路径。但80多年来，中性粒子碰撞中的米格达尔效应始终未被实验直接证实，这也使得依赖该效应的暗物质探测实验，始终面临理论假设缺乏实验支撑的质疑。”论文通讯作者、中国科学院大学教授郑阳恒说。

在这项研究中，研究团队成功捕捉到中子与原子核作用时出现的米格达尔效应事例，统计显著性超过5倍标准差，达到物理学“发现”标准；同时精准测量出了米格达尔效应截面与原子核反冲截面的比值。

量子力学的诞生

量子力学与相对论共同构成了现代物理学的基础。契机源自熔化后的黏稠高温铁水发出的光。为了阐明受热物体的温度与发光颜色之间的关系，诞生了能量的最小单位“量子”这一概念。

研究与量子相关现象的科学理论，一般称为“量子理论”。量子理论中，研究量子的运动和作用于量子的力等的物理学理论称为“量子力学”。让我们一起回顾量子力学在100年前是如何诞生的。

·1900年 量子假说

量子理论起源于德国物理学家马克斯·普朗克（1858～1947）在1900年发表的关于“黑体辐射”的公式。

·1905年 光量子假说

1905年，26岁的德国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（1879～1955）发表了“光量子假说”。光量子假说是指被视为波的光实际上也是粒子。爱因斯坦把光的粒子称为“光量子”。

·1923年 波粒二象性

法国物理学家路易·德布罗意（1892～1987）深受爱因斯坦光量子假说的影响。1923年，31岁的德布罗意提出了一个非常大胆的学说，即“就像被视为波的光具有粒子的性质那样，被视为粒子的电子等也具有波的性质”，并认为光所展现的“波粒二象性”也可以扩展到电子和原子等所有的物质粒子。

·1925年 矩阵力学

丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（1885～1962）将量子理论的观点应用于原子的内部结构，于1913年发表了关于原子内部结构的具有划时代意义的论文，即电子在原子内部沿着离散的轨道运动。

·1926年 波动力学

德国物理学家海森伯的矩阵力学论文于1925年12月刊登在专业期刊上。仅仅几个月后的1926年3月，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔（1887～1961）创建的“另一种量子力学”的论文就在另一个专业期刊上发表了，这就是“波动力学”。

·1926年 波动力学

德国物理学家海森伯的矩阵力学论文于1925年12月刊登在专业期刊上。仅仅几个月后的1926年3月，奥地利物理学家埃尔温·薛定谔（1887～1961）创建的“另一种量子力学”的论文就在另一个专业期刊上发表了，这就是“波动力学”。

·1927年 哥本哈根诠释

1927年9月，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔在意大利召开的国际物理学会上发表了基于互补性观点的量子力学新诠释。

玻尔表示，当观测电子位于何处时，在空间中扩散的电子波（概率分布）会瞬间坍缩到一点，结果电子就会作为粒子在某个位置被观测到。这样考虑的话，作为波的性质和作为粒子的性质就完美并存。

·1927年 索尔维会议

1927年10月，一场历史性会议在比利时布鲁塞尔召开，量子理论的主要研究学者齐聚一堂。这就是第5届索尔维会议。

为了讨论量子力学及其相关问题，除了量子理论的创始人普朗克、爱因斯坦之外，会议还邀请了玻尔、海森伯等人。量子力学的意义，即诠释问题，是本届会议尤其重要的一个主题。

......

自20世纪20年代诞生以来，量子力学主要发展为三个方向。第一个是原子核和基本粒子的研究，目的是阐明物质的基本单位。第二个是哥本哈根诠释是否正确等有关量子力学诠释问题的研究，第三个是向物质科学方面的发展，旨在阐明物质展现的多种性质，制造有用的物质。

随着量子力学不断发展，科学技术和社会发生了巨大变化，比如发现了各种基本粒子，研发出应用半导体的计算机等。未来100年，以量子力学为基础的科学技术也将带动社会的不断发展。想了解更多关于量子力学诞生的故事？那你一定不能错过《科学世界》2025年第9期特辑——《量子力学100年》！