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        我们大多数人都很难掌握量子世界：根据海森堡的不确定性原理，这就像观察一场舞蹈，但无法同时准确地看到某人在哪里跳舞以及他们移动的速度有多快——你总是必须选择专注于一个。 然而，这种量子之舞远非混乱; 舞者遵循严格的编舞。 在分子中，这种奇怪的行为还有另一个后果：即使一个分子应该完全冻结在绝对零度，它也会永远不会真正安息。 构成它的原子在所谓的零点能量的驱动下进行持续的、永无止境的安静舞蹈。

         首次直接测量相关零点运动

         长期以来，这些模式化的零点运动被认为是无法直接测量的。 然而，法兰克福歌德大学和合作机构的科学家现在已经成功地在世界上最大的 X 射线激光器——位于德国汉堡的欧洲 XFEL 上做到了这一点。他们通过将“聚光灯”照射在单个分子上并拍摄其原子的快照来捕捉“原子的舞蹈”——揭示每个原子的精确编排。 来自法兰克福歌德大学核物理研究所和海德堡马克斯普朗克核物理研究所的

         教授 Till Jahnke 解释说：“我们工作令人兴奋的是，我们能够看到原子不仅单独振动，而且它们以耦合方式振动，遵循固定模式。 我们首次在同样处于最低能量状态的单个中等大小分子中直接测量了这种行为。 这种零点运动是一种纯粹的量子力学现象，无法用经典方式解释。 物理学家谈论的不是编排，而是振动模式。 虽然具有两个或三个原子的分子的运动模式相当容易理解，但对于中等大小的分子来说，它很快就会变得复杂 - 就像所研究的那样碘吡啶，由十一个原子组成。 碘吡啶具有 27 种不同振动模式的完整曲目 - 从芭蕾舞到探戈再到民间舞蹈。

         “这个实验有着悠久的历史，”Jahnke 说。 “我们最初是在 2019 年由 Rebecca Boll 在欧洲 XFEL 领导的一项测量活动中收集数据的，该活动的目标完全不同。 直到两年后，我们才意识到我们实际上看到了零点运动的迹象。 突破来了与理论物理学的同事合作自由电子激光科学中心在汉堡。 尤其是 Benoît Richard 和 Ludger Inhester，他们提出了新的分析方法，将我们的数据解释提升到了一个全新的水平。 回想起来，许多拼图必须完美地拼在一起。

         爆炸揭示了分子结构

         但是如何捕捉跳舞粒子的图像呢？ 使用一种称为库仑爆炸成像的技术，分子被超短、高强度的 X 射线激光脉冲触发，发生受控爆炸，从而生成其结构的高分辨率图像。 X 射线脉冲将许多电子从分子中敲出，导致原子（现在带正电）相互排斥并在万亿分之一秒内飞散。 碎片由一种特殊的设备记录，测量它们撞击的时间和位置，从而能够重建分子的原始结构。 这款 COLTRIMS 反应显微镜是由歌德大学原子物理小组在过去几十年中开发的。 专为欧洲 XFEL 量身定制的版本是由 Dr. 格雷戈尔·卡斯特克 （Gregor Kastirke） 在攻读博士学位期间。 Kastirke 说，看到该设备的运行是一件很特别的事情：“目睹如此突破性的结果让我感到有点自豪。 毕竟，它们只有通过多年的准备和密切的团队合作才能实现。

         对量子世界的新见解

         这些结果为量子现象提供了全新的见解。 研究人员首次可以直接观察更复杂分子中零点运动的复杂模式。 这些发现证明了法兰克福开发的 COLTRIMS 反应显微镜的潜力。 “我们一直在改进我们的方法，并且已经在计划下一个实验，”Jahnke 说。 “我们的目标是超越原子的舞蹈，并观察电子的舞蹈——一种编排这要快得多，并且还受到原子运动的影响。 有了我们的设备，我们可以逐渐制作出分子过程的真实短片——这在以前是难以想象的。