多粒子態新紀元，超冷銫原子實驗佐證百年前「貝特弦」預測
1931年，德國物理學家漢斯·貝特（Hans Bethe）算出一種奇怪東西：粒子於特殊一維空間會「黏」成一串，黏法與我們熟知的化學鍵完全無關。這項預測在紙上躺了近一個世紀，直到現在，奧地利因斯布魯克大學團隊透過超冷銫原子雲實驗抓到證據。
當年漢斯·貝特（後來的諾貝爾物理學獎得主）研究一維自旋鏈時，預測粒子在一維世界存在某種奇特束縛態，與由化學鍵結合的普通分子不同，而是能純粹透過「量子相互作用」緊密連結成多粒子共同體，稱為貝特弦（Bethe Strings），就像列車各車廂之間沒有聯結車鈎，而是透過某種同步機制相連。
此外，貝特弦只嚴格存於一維空間，踏入三維空間就會消失，因此物理上極難實現。
數十年來貝特弦一直處於理論概念，曾在固態磁性系統被實驗觀測到，而近日奧地利因斯布魯克大學團隊與阿姆斯特丹大學、慕尼黑工業大學團隊合作，首成功於超冷氣體觀察到這種多粒子束縛態。
創造貝特弦的環境要求極度嚴苛，研究人員先將一團銫（Cesium）原子雲溫度冷卻到接近絕對零度，再用雷射將原子雲分割成數千條極狹窄管道以模擬一維空間，管道內原子走位被限制得死死，只能朝單一方向（前後）移動。
接著研究人員像調音量一樣精準控制原子間相互作用，當原子間作用力從排斥力調整為吸引力，團隊發現原子並不是簡單塌縮，而是形成兩兩一對～6 個或更多粒子綁在一起的束縛態。
貝特弦存在的明確特徵
我們如何判斷一維空間的粒子確實彼此束縛成為貝特弦，還是它們剛好靠很近而已？團隊設計一組絕妙對照實驗：第一個實驗是在一維空間讓貝特弦多粒子態互相碰撞，發現貝特弦就算猛烈相撞也未解體；第二個實驗是突然移除一維條件，讓貝特弦在三維空間自由移動，發現原本綁住粒子的能量瞬間轉化為動能，貝特弦束縛態也瞬間崩解，原子四處飛散且速度比預期更快。
兩次實驗的能量差異即貝特弦鐵證，若是未結合的多粒子，2 種測量方式應會得出相同能量。但當貝特弦存在，三維空間便會額外攜帶束縛態瓦解時釋放的能量。
這項實驗不僅驗證近百年前理論預言，更將貝特弦從優美數學概念轉化為實驗室可操控的量子物體，科學家可隨心控制粒子密度、幾何形狀和作用力，觀察並驗證電腦算不出的量子多體物理難題。
新論文發表在《自然通訊》（Nature Communications）期刊。
Ultracold cesium atoms reveal Bethe strings predicted nearly a century ago
Probing Bethe strings in an attractive one-dimensional Bose gas
（首圖來源：AI 生成）