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波函数能被测量吗?——谈一个被误解多年的常识性错误

已有 9557 次阅读 2017-7-7 00:44 |个人分类:量子力学|系统分类:论文交流

分子轨道(或者波函数)能被测量吗?只要学过一点量子力学,还记得测不准关系的人,应该都会回答:“不能。”然而在近20年,却频频出现了一些关于“测量分子轨道”的论文。例如在3年前,国内一些科学家在自然子刊Nature Materials发表一篇论文《Real-space imaging ofinterfacial water with submolecular resolution》,其中就给出了分子轨道的“实验图像”。据这些作者们说,利用扫描隧道显微术(Scanning Tunneling Microscopy;STM),分子轨道成像是可以做到的,但是这就跟量子力学的测不准关系出现了矛盾。究竟是谁错了?难道我们以前学了假的《量子力学》?


最近,著名量子化学家,美国爱荷华州立大学的Mark S. Gordon教授及其合作者Buu Q. Pham指出了以上矛盾的问题所在:测不准关系没错,分子轨道确实不能被测量。那些声称测到分子轨道的人,错就错在他们对STM技术存在误解(我想,是不是还得把审稿人和期刊编辑也加上?)。STM真正测量的是材料的隧穿电流,它正比测量点的态密度(DOS);对于分子体系来说,DOS最大值通常位于费米能级附近,此处分布着最高占据轨道(HOMO)和最低未占据轨道(LUMO)。但是STM实验测到的只是一些能级的能量,并不是轨道!(J. Phys. Chem. A2017, 121, 4851


在上文中,共有10篇论文被作者点名(见上文的参考文献3-12),其中Nature两篇,Nature子刊两篇,创刊不久的顶级物化期刊JPC Letter有一篇,就连物理人心目中最权威的PRL也有两篇。需要注意的是,能在高大上这些期刊上发表论文的作者,也都不一般,有兴趣的可以去八卦。


测不准关系是量子力学一条基本原理,学过量子力学的人都知道,但是一遇到实际问题,很多人就忘了,而且这一忘就是十多年。


(题外话:有科学家声称可以通过量子弱测量技术来测量波函,不过这和上面的STM实验无关,而且弱测量在原理上与测不准关系并不矛盾。见Nature 474, 188, 2011。)



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