最小作用量原理及其量子实验.pdf

研究快讯 最小作用量原理及其量子实验 2023－06－28收到 † email：slzhu@ 朱诗亮 温永立 颜 辉† DOI：10.7693/w (华南师范大学物理学院 原子亚原子结构与量子调控教育部重点实验室 粤港量子物质 联合实验室 广州 510006) 物理学家的梦想是在一张小纸片中写下整个 学史的华美篇章。古代科学家，如公元前2 世纪 宇宙的秘密，而最小作用量原理可能就是必写的 的埃及人希罗(Hero)就猜想光的传播遵从最短时 原理之一。最小作用量原理的提出有着极为深刻 间法则，并由此论证了光在球面镜中反射时，入 的科学与哲学内涵：它最早来自于生活中各种极 射角等于反射角。最小作用量原理的第一个成功 值的思想，以及自然界中的各种极值现象，并最 范例是1650年法国数学家费马对光的传播原理作 终演化成在物理和数学领域都有广泛应用的变分 的概括性叙述：从空间一点A 到另一点B ，光沿 方法。物理学是研究物质结构及其运动规律的科 着所需时间为最小值的路径传播。但光在不同介 学，物质的结构往往由体系的能量最小或熵最大 质中的折射角度究竟是否对应最短时间的路径， 等某些物理量的极值确定，如水珠的形状、凝聚 还要结合折射定律以及光在介质中的传播速度公 态物相，甚至银河系的形状等，这正体现了最小 式进一步计算。折射定律早在1620年就由斯涅耳 作用量原理的威力。另一方面，我们现在所知道 在实验的基础上得出。1690年，惠更斯基于他的 的物质运动方程都可以在写出相应的拉格朗日量 光的波动理论，给出介质折射率之比等于光在这 后，通过最小作用量原理推导出。因此，最小作 两种介质中的速度之比，从而证明了费马时间最 用量原理被科学家看作是物理学，甚至是自然界 小原理和光折射中的斯涅耳折射定律一致。费马 最具普适性的基本原理，它具备简洁和统一的科 原理作为最小作用量原理早期最成功的例子，它 学美学特征，在物理学乃至科学发展史中有着极 那简洁、优美的形式和对光现象的高度概括意味 [1，2] 着可能存在某种更普遍的原理。 其重要的地位 。经典物理世界的最小作用量原 理被无数实验验证。虽然该原理在量子力学的建 为纪念该原理的创立者之一，科学家莫培督 立，特别是费曼路径积分方法的建立中处于核心 (P. Maupertuis) ，最小作用量原理有时也叫莫培督 位置，但量子最小作用量原理的实验验证，还仅 原理。莫培督最早(大约在1744年)提出作用量的 [3] 概念，并在后续研究中给出了力学和光学体系中 是最近由我们的实验首次实现 。本文将简要介 绍最小作用量