近日，南開大學陳省身數學研究所理論物理研究室教授陳景靈課題組在量子物理基本問題方面取得進展。該團隊在國際上首次提出“自旋角動量波”這一新概念，并構想了一種基于“狄拉克電子自旋角動量振蕩”來產生與探測“自旋角動量波”的思想實驗。2023年12月28日，相關研究成果在線發表于Elsevier旗下的《物理學結果》。
麥克斯韋方程組是科學史上最重要的公式之一，它不僅實現了對經典電動力學的統一，而且預言了電磁波，深刻地影響了人類社會的發展。1954年，楊振寧與米爾斯將麥克斯韋方程組推廣到非阿貝爾情形，得到了著名的“楊-米爾斯”方程，同時“規范場”這一概念也引起了物理學家和數學家們極大的興趣。更進一步，基于“楊-米爾斯”理論的“標準模型”統一了自然界已知的四種基本相互作用中的三種（電磁、弱和強相互作用），這顯示出楊-米爾斯理論是一個堅實的物理理論。但與此同時，另一個基本問題卻并未引起人們的關注：既然楊-米爾斯方程是麥克斯韋方程組的推廣，而后者預言了著名的電磁波，那么楊-米爾斯方程是否也能預言出某種重要類型的波呢？
上述科學問題啟發南開大學研究團隊探索自旋角動量波。然而，即便在真空無源情形下，楊-米爾斯方程也是一個非線性偏微分方程，內部勢與場的相互作用項十分復雜。因此，研究團隊考慮了真空無源情形下楊-米爾斯方程的弱耦合近似解。通過計算發現，該解仍然滿足像電磁波那樣的波動方程，但是其振幅部分含有自旋角動量算子，故命名為“自旋角動量波”。隨后，基于相對論量子力學中狄拉克電子處于正負能量與正負螺旋度疊加態時會自動出現一種稱為“自旋振蕩”的相對論效應，基于該效應研究人員提出了一種產生與探測“自旋角動量波”的思想實驗。倘若人們在實驗室中能夠制備出這種狄拉克電子的量子疊加態，那么自旋角動量波將有希望被觀測到。
該研究成果獲得國內外同行的好評。其中，審稿人評論稱：“該論文的推導十分簡潔，在正文與補充材料中都對楊-米爾斯方程進行了全面回顧”；“該論文從非阿貝爾楊-米爾斯方程中考慮新型波的想法非常有趣，而且僅僅從數學物理中求解真空方程也很有趣”。新加坡國立大學C.H. Oh教授稱該成果為“高品質論文”。國內同行評論稱：“該工作屬于開創性研究，具有原創性”，“若上述研究得到實驗的證實，則可能開辟出新的學科方向，在物理學領域引起廣泛關注”。
關于“自旋角動量波”的研究將加深人們對“自旋”這一量子力學基本概念的理解，它可能的實驗實現也將為自旋探測技術等研究方向提供新思路，同時可以期待“自旋角動量波”也像電磁波那樣，將推動著社會文明的進步。
相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.rinp.2023.107300