耶鲁大学研究人员为其他科学家提供运用费米黄金规则的蓝图

耶鲁团队指出，科学家误用费米黄金规则，要么是错判了它的适用条件，要么就是错过了可以使用它的“时间窗口”。

耶鲁大学的物理学家尼尔·纳冯和陈建一聚焦于量子力学中科学家经常出错的地方，如今提供了一本“用户手册”来指导他们整个过程。备受关注的，正是量子物理中一条名为费米黄金规则的基本公式。科学家们并没有把这个公式本身弄错，而是用错了时机。

与物理学中多数以发现者命名的定律不同，费米黄金规则其实是由英国物理学家保罗·狄拉克发现的。它以意大利裔美国物理学家恩里科·费米的名字命名，将实验测量与量子力学系统的微观性质联系了起来。

这乍听起来可能有些复杂。然而，从智能手机到隧道显微镜、粒子对撞机以及更多其他现代技术，都在运用费米黄金规则。

因此，科学家们相当清楚这条规则如何运作，以及如何用它来为我们造福。但根据纳冯和陈的说法，科学家们也会误用它，要么错判了它起作用的那些条件，要么可能错过了可以使用它的“时间窗口”。

费米黄金规则为何会被误用？

据耶鲁大学的研究人员称，科学家们往往在两个地方误用黄金规则。其一，量子跃迁必须足够弱，才能在实验中产生微扰。其二，该规则仅在特定的观测时间窗口内有效。

纳冯和陈认为，这些条件并不像听起来那么简单。例如，“弱”是相对于被探测系统的能量尺度而言的，而人们事先对这些能量尺度往往知之甚少。时间窗口也很微妙，因为它只在量子系统对微扰做出响应之后才打开，并在初始状态被改变得太厉害之前就关闭了。

研究人员指出，对于已被充分理解的系统，物理学家可以精确地求出这两个条件，但对于粒子间存在强相互作用的系统，哪怕动用超级计算机，这也是一个无法求解的难题。

这就给那些需要借助黄金规则来解释实验数据的科学家们，呈现了一个奇怪的困境：知道何时应用该规则，恰恰依赖于只有实验本身才能提供的数据。

研究人员是怎么做的？

在此前的一项研究中，这些科学家在跟准粒子打交道。准粒子是理解量子系统中相互作用的有效替代物。在实验中，研究人员利用精确的射频，成功改变了原子的自旋态。

在仅比绝对零度高十亿分之一度左右的极低温下，这些耶鲁大学的科学家得以对原子施加极其精准的控制，以至于能清晰看到黄金规则何时在起作用。

纳冯在一份新闻稿中说：“我们对量子力学中最著名的公式之一进行了检验，找到了它在哪里有效、在哪里失效，包括许多物理学家此前并未完全意识到的情况。我们要告诉所有使用它的人，先静下心来，仔细审视一下自己所用的前提条件。”

由于化学、材料科学、半导体工程和量子计算等研究领域的科学家都会用到黄金规则，耶鲁大学提供的这份指南将有助于加快多个领域的研究步伐。

纳冯在新闻稿中说：“从某种意义上说，我们是在提高大家的警觉。这个公式固然如同金子般珍贵，但它的假设条件绝不应被当成理所当然。”

这项研究成果已发表在《自然·物理学》期刊上。