百年量子预言成真！超冷原子气体中首次观测到贝特弦，量子物理迎新突破

1931年诺贝尔物理学奖得主贝特预言的量子态——贝特弦，于2026年10月9日被科学家首次在超冷原子气体中成功创造并直接观测。据路透社报道，因斯布鲁克大学团队领导的这项实验，为量子多体态研究提供了高度可控的全新平台，成果发表于《自然·通讯》。

一维空间里诞生的百年预言

1931年，物理学家汉斯·贝特在研究一维量子多体系统的数学模型时，提出了一个极具前瞻性的设想：在某些严格限制于一维运动的量子系统中，粒子能够联合形成一种集体束缚态——如今被命名为“贝特弦”。与由化学键连接的普通分子截然不同，贝特弦中的粒子之间不存在任何化学键，它们仅依靠彼此间的量子相互作用维持束缚，并且这种状态只能在单一空间维度中稳定存在。在过去近一个世纪的岁月里，贝特弦绝大多数时间停留在纯理论层面，是量子物理学中著名的“纸上预言”。

超冷原子实验：把铯原子封进一维管道

为将这一理论变为现实，内格尔率领的研究团队选用了铯原子作为实验对象。他们先将一团铯原子气体冷却到仅比绝对零度高几十亿分之一摄氏度的极低温度，再将原子云分隔成数千根彼此独立、直径极小的纳米管。每根管内，原子被限制为只能沿单一方向运动，从而构建出贝特弦赖以存在的一维量子气体环境。团队还可以通过调节磁场精确控制原子间的相互作用强度。当他们把相互作用从排斥力转变为吸引力后，原子开始自发结合，形成多个不同尺寸的束缚态，其中较大的原子团包含6个以上的粒子。

碰撞试验：量子弦的抗碎性验证

如何确认这些粒子确实处于束缚状态而非偶然聚集？第一作者米莱娜·霍尔瓦特说：“最简单的实验之一，就是让贝特弦自行膨胀。”团队首先允许原子在一维管内自由扩散，在此期间贝特弦彼此相遇并发生碰撞，然而所有束缚结构在碰撞后都保持完整。“这是贝特弦的一个显著特征：它们可以在碰撞中不碎裂。”霍尔瓦特补充道。这种抗碰撞稳定性在宏观世界中几乎找不到对应物，也是量子集体行为最直观的体现之一。

关键数据：从数学预言到实验室观测

下表梳理了从1931年贝特发表论文到2026年实验成功的完整时间线，包含实验核心参数。92年间，没有任何团队能在一维量子气体中直接观测到多粒子束缚态，足见实现条件之苛刻。

一维与三维双重对比锁定信号

研究团队随后设计了一项关键的对照实验：移除一维纳米管的约束，让原子在三维空间中自由膨胀。由于贝特弦仅存在于一维环境，束缚态在释放瞬间随即解体，原本将粒子捆绑在一起的能量转化为动能，使原子以更快的速度向外扩散。通过对比两种膨胀过程，研究人员获得了清晰的识别信号：当粒子间为排斥力、未形成贝特弦时，两组膨胀实验测得的能量几乎完全一致；而当贝特弦存在时，三维膨胀数据中出现了额外的能量峰——正是束缚态解体时释放的标志。美联社消息源证实，这一双重对比方法为贝特弦的存在提供了决定性实验证据。

量子多体态研究的新实验室

贝特弦此前曾在固态磁性材料中被间接探测到，但本次研究将其置于截然不同的介质——超冷原子气体之中。在这一平台上，科学家能够以前所未有的精度控制系统的几何构型、粒子密度与相互作用强度。另一位第一作者苏迪普塔·达尔表示：“贝特弦在近一个世纪前作为量子多体系统的优美数学描述被预言，如今我们可以在实验室中创造它们、操控它们、让它们碰撞，并探测其非凡的碰撞稳定性。”理论负责人阿尔维塞·巴斯蒂亚内洛指出：“这为研究集体量子客体如何形成和相互作用开辟了新的可能性。”实验获得奥地利科学基金、欧盟ERC及英国工程与物理科学研究委员会的资助。

Q1: 贝特弦与普通分子有何本质区别？

A1: 普通分子依靠化学键（共享电子）将原子连接在一起，而贝特弦中的粒子完全不依赖化学键，仅通过量子相互作用保持集体束缚状态。且贝特弦只能在严格的一维空间中存在，维度一旦增加就会解体。

Q2: 这一实验突破对量子物理研究意味着什么？

A2: 超冷原子平台让科学家得以直接创造、操控并观测量子多体束缚态，为量子模拟、量子信息处理和凝聚态物理提供了全新的实验工具。团队下一步将探索更大尺寸贝特弦的生成及其在量子相变中的角色。

从1931年的数学公式到2026年实验室中碰撞不碎的粒子团，贝特弦的百年预言终于获得直接验证。这一突破改写了量子多体态研究版图，也让量子理论向实际技术转化迈出坚实一步。