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最近，科学家们观察到了一个经典物理学让位于量子行为的令人惊叹的演示。它将一种由超低温钠原子组成的流体，操纵形成一种独特的龙卷风状结构。  上图：形成旋涡状、龙卷风状结构的粒子。 实际上，粒子在量子层面上的行为是有所不同的，部分原因就是在这一点上，它们之间的相互作用比它们运动产生的能量对它们的影响更大。 当然，还有一个令人难以置信的事实，那就是量子粒子并不像你我一样有一个固定的位置，这也影响了它们之间的相互作用。 通过将粒子冷却到尽可能接近绝对零度，并消除其他干扰，物理学家就可以观察这些奇怪的相互作用发生时的情况，正如麻省理工学院（MIT）的一个团队刚刚做的那样。 麻省理工学院物理学家马丁·兹维莱恩（Martin Zwierlein）说：“能够直接看到这些量子效应是一个突破。” 该团队利用激光和电磁铁捕获并旋转了大约100万个钠原子的云团。在之前的研究中，物理学家证明了这将使云团旋转成一种长长的针状结构，即玻色-爱因斯坦凝聚态，在这种结构中，气体开始表现得像一个具有共同属性的单一实体。 马丁·兹维莱恩表示：“在传统的流体中，比如香烟烟雾，它只会变得越来越稀薄。但在量子世界里，流体的稀薄程度是有限度的。” 在这项新的研究中，麻省理工学院的物理学家Biswaroop Mukherjee和他的同事超越了这一阶段，捕捉到了一系列的吸收图像，揭示了原子“从主要受经典物理支配转变为量子物理支配”后发生了什么。 下图突出显示了超冷原子在微秒范围内的密度。  上图：原子云由针状的冷凝物（左）演化而来，穿过蛇形的不稳定性（中），并形成了微型龙卷风（右）。 甚至在相邻的晶体之间也有微小的黑点（见下图，“x”标记），这是反向流动的漩涡发生的地方 —— 就像我们在复杂的天气系统中看到的那样（想想木星上翻滚的风暴）。  马丁·兹维莱恩解释说：“在这里，我们有量子天气：流体，仅仅因为它的量子不稳定性，碎片变成了更小的云和漩涡的晶体结构。” “这种演变与蝴蝶效应的想法有关，因为不稳定会引发湍流。即使在经典物理学中，这也会产生有趣的模式形成，就像云团环绕地球一样，以美丽的螺旋运动。现在我们可以在量子世界中研究这一点。” 这个团队控制了这个系统，所以没有其他东西对原子主体施加力。这意味着只有粒子本身的相互作用和它们的旋转在起作用。它们由此产生的行为显示出超固态特性，有点像电子以维格纳晶体的形式产生的特性。 传统的晶体固体通常由原子组成，排列在一个固定的、重复的网格结构中，这些结构继续波动，但保持在一个可定义的模式内 —— 就像液体通过保持和流过一个固定的形状而假装成固体。 该团队基本上让原子表现得像磁场中的电子一样。以这种方式使用原子使得由此产生的量子现象更容易操作和观察，为更多关于这个令人费解的世界的发现开辟了道路。 马丁·兹维莱恩最后表示：“我们可以想象单个原子在做什么，看看它们是否遵循同样的量子力学物理。” 相关内容已获授权，如有侵权请第一时间联系删除。 |
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