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科学家们通过新研究“打破了不可能的百年物理障碍”

抖音热门 2025年08月22日 14:03 1 admin
科学家们通过新研究“打破了不可能的百年物理障碍”

信息来源：https://www.neowin.net/news/scientists-break-impossible-century-old-physics-barrier-with-this-new-research/

近一个世纪前被认为"理论上不可能"的物理现象，如今在韩国科学家的实验室中成为现实。浦项工科大学与全北国立大学联合研究团队成功在单一固体共振器中实现了机械波的完全束缚，突破了自约翰·冯·诺伊曼和尤金·维格纳在20世纪30年代提出相关理论以来，物理学界长期认为无法逾越的技术壁垒。

这一发表在《物理评论快报》上的研究成果，不仅验证了"连续谱束缚态"的存在，更为能量收集、超敏感传感器和下一代通信技术开辟了全新路径。研究团队通过精密控制石英圆柱体接触边界，实现了能量零泄漏的波动束缚，质量因子超过1000，标志着人类对波动现象控制能力的重大飞跃。

理论禁区的历史突破

科学家们通过新研究“打破了不可能的百年物理障碍”

共振现象是现代科技的基石，从智能手机到超声波扫描仪，从无线电到激光设备，几乎所有电子设备都依赖共振器来放大特定频率的波动。然而，传统共振器存在一个根本缺陷：它们无法避免能量泄漏，需要持续的能量输入才能维持振动状态。

1929年，数学家约翰·冯·诺伊曼和物理学家尤金·维格纳在研究量子力学时提出了一个革命性概念：在特殊条件下，波动可能被永久束缚而不发生泄漏。这种被称为"连续谱束缚态"的现象理论上允许能量在系统内无限循环，不向外界散失。

然而，这一理论长期被认为无法在紧凑的单粒子系统中实现。传统物理学观点认为，任何实际的共振系统都必然存在能量泄漏路径，完全的能量束缚只能存在于理想化的数学模型中。

韩国研究团队的突破在于发现了实现这种"不可能"状态的关键机制。通过构建可调谐的机械系统，他们证明了偏振保护的连续谱束缚态不仅在理论上存在，更可以在实际的紧凑固体共振器中稳定实现。

项目首席研究员卢俊硕教授表示："我们打破了长期存在的理论边界。虽然这仍处于基础研究阶段，但其意义重大——从低损耗能源设备到下一代传感和信号技术。"

石英圆柱体的精密工程

研究团队的技术突破建立在对接触边界的精密控制之上。他们使用小型石英圆柱体构建了圆柱形颗粒晶体系统，其中每个圆柱体的接触点都可以被精确调节，如同音响设备上的调音旋钮一般。

通过激光多普勒振动仪测量微小的表面振动，研究人员发现当圆柱体达到特定排列时，波动模式可以完全束缚在单个圆柱体内，没有可测量的泄漏到相邻部分。这种现象的关键在于偏振保护机制，即波动的偏振方向与系统的几何对称性相互作用，形成了一道"能量屏障"，防止波动向外扩散。

实验中观察到的质量因子超过1000，意味着系统的能量损失率极低。质量因子是衡量共振器性能的关键指标，数值越高表示能量损失越慢，振荡持续时间越长。商用石英谐振器的质量因子通常在10000-100000之间，而研究团队在概念验证阶段就达到了1000以上的水平，显示出巨大的优化潜力。

主要作者张永泰博士生动地描述了这一现象："就像向平静的池塘投掷石子，看到涟漪保持不动，只在原地振动。尽管系统允许波动运动，但能量不会扩散——它被完美地束缚住了。"

连锁效应与平带现象

单个共振器的成功只是开始。当研究团队将多个这样的共振器连接成链时，束缚模式开始相互作用，形成了更加复杂的"连续谱束缚带"现象。在这种配置下，整个链条上的每个圆柱体都表现出高质量因子、无色散的共振特性。

这种现象被称为"平带"效应，指在特定频率下波动的群速度变为零，能量停留在原地而不是传播扩散。在凝聚态物理学中，平带现象与许多奇异的量子现象相关，包括超导、磁性和拓扑相变。

研究团队通过破坏共振器对称性构建的有限链条中，观察到了准束缚平带的形成。这一发现的重要性在于它提供了在经典力学系统中研究量子多体效应的新平台，有望加深人类对复杂相互作用系统的理解。

更重要的是，这种链式结构的可扩展性为实际应用提供了可能。通过精确控制每个节点的接触特性，可以构建具有预定功能的波动处理网络，实现信号路由、滤波和放大等功能。

产业应用的广阔前景

尽管仍处于基础研究阶段，连续谱束缚态技术已经展现出广泛的应用潜力。在能量收集领域，这种零泄漏特性可以显著提高能量转换效率，特别是在振动能量收集和太阳能转换方面。

传统的振动能量收集器由于能量泄漏问题，转换效率通常不超过30%。而基于连续谱束缚态的收集器理论上可以达到接近100%的转换效率，这对于物联网传感器、可穿戴设备和偏远地区的电力供应具有革命性意义。

在传感技术方面，超高质量因子使得这类系统对环境变化极其敏感。微小的温度、压力或化学成分变化都会导致束缚状态的显著改变，从而实现前所未有的检测精度。这种特性在生物医学检测、环境监测和工业过程控制中具有巨大价值。

通信技术是另一个重要应用领域。基于连续谱束缚态的波导和谐振腔可以实现极低损耗的信号传输和处理，为6G通信网络的发展提供关键技术支撑。特别是在太赫兹频段，传统材料的损耗问题尤为严重，而新技术有望实现突破。

技术挑战与发展前景

尽管前景广阔，连续谱束缚态技术的产业化仍面临诸多挑战。首先是制造精度要求极高，接触边界的微小变化就可能破坏束缚状态。这需要发展新的精密制造工艺和实时控制系统。

其次是系统的鲁棒性问题。实验室条件下的理想束缚状态在面对温度变化、机械振动和材料老化时是否能够保持稳定，仍需进一步验证。这关系到技术的实际可靠性和商业价值。

材料选择也是关键因素。虽然石英具有优异的机械和光学性能，但其成本和加工难度限制了大规模应用。研究人员正在探索聚合物、陶瓷和复合材料等替代方案，以平衡性能和成本。

规模化生产是另一个重要考量。从实验室的几个圆柱体扩展到包含数千甚至数百万个单元的实用系统，需要解决制造一致性、质量控制和系统集成等一系列工程问题。

国际竞争态势也值得关注。美国、欧盟和日本的研究机构都在相关领域投入巨资，竞争异常激烈。韩国团队的突破为该国在未来技术竞争中占据有利地位奠定了基础，但保持领先优势需要持续的创新投入。

展望未来，连续谱束缚态技术有望在5-10年内实现初步的商业应用，主要集中在高端传感器和特种通信设备领域。随着制造工艺的不断完善和成本的逐步降低，该技术将逐渐渗透到更广泛的应用场景中，最终可能引发新一轮的技术革命。

这一韩国团队的突破不仅验证了近百年前科学巨匠的理论预言，更为人类操控物理世界的能力开启了新的篇章。正如研究团队所言，这只是一个开始，真正的革命性应用还在后面等待着被发现和实现。

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