選自 IEEE Spectrum
機器之心編譯
編輯：張倩、澤南
這就是量子力學嗎？看不懂但大受震撼。
如果你稍微了解流體力學，就會知道這個領域是以「難」而聞名的，其中的有些原理似是而非，不得要領，解釋起來也是五花八門，研究這個領域的絕大多數人可能都難以獲得顯著的成果。
實體學家維爾納 · 海森堡曾說過：「當我遇到上帝的時候，我會問他兩個問題：為什麼會有相對論？為什麼會有湍流？我想上帝可能隻能回答第一個問題。」
40 年前，實體學家理查德 · 費曼又說，「如果你覺得你懂量子力學，那你就不懂量子力學。」這是一門挑戰直覺的學科，有時甚至會讓研究它的實體學家也目瞪口呆。
那麼如果在量子力學領域裡研究流體會是什麼結果？
有一群麻省理工學院的研究人員的确這麼做了。
在量子力學中有一個名為「玻色—愛因斯坦凝聚态」的概念，可由量子氣體在失重條件下産生。科學家希望借助這種零重力下的超低溫量子氣體研制原子幹涉儀等高精密測量儀器，以用于測量地球的重力場。
最近，MIT 的一份相關研究登上了《自然》雜志。
論文連結：
在這項研究中，作者首先把「玻色—愛因斯坦凝聚态」拉伸成細長條狀，然後旋轉這根細條直至細條破裂。這些操作得到的結果是一系列子渦旋，每一個子渦旋都是母渦旋的迷你版。
這些旋轉的量子雲（量子龍卷風）讓人回想起我們所熟悉的經典世界中的現象，比如開爾文 - 亥姆霍茲雲，它看起來像周期性重複的鋸齒狀卡通波浪。
然而，制造量子雲渦旋的條件非常苛刻，需要很多的實驗室裝置，還要減少大氣風切變。MIT 實體學教授 Martin Zwierlein 說：「我們從玻色 - 愛因斯坦凝聚态開始，100 萬個鈉原子共享一個相同的量子力學波函數。」
将氣體限制在由雷射束組成的原子阱中的相同機制允許研究人員擠壓它，然後像螺旋槳一樣旋轉它。他說：「我們知道我們推動的方向，我們看到氣體變長了。如果我以同樣的方式旋轉一滴水，同樣的事情也會發生——這滴水在旋轉的時候會拉長。」
他們實際上看到的是鈉原子在雷射照射下發出熒光時投射的陰影，這種技術被稱為吸收成像（ absorption imaging）。
在特定的旋轉速度下，量子氣體分裂成小雲團。「它會産生一些有趣的波動——我們稱之為薄片（flaky），然後變得更加極端。我們看到這種氣體是如何在一串液滴中「結晶」的——最後一張照片中有八個液滴。
既然能夠得到二維晶體，那為什麼要滿足于一維晶體呢事實上，研究人員說他們已經在尚未發表的研究中做到了這一點。
之前已經有理論預測到旋轉的量子氣體會分裂成小塊——也就是說，人們可以從早期的理論工作中推斷出這種情況。
但 Zwierlein 說，他們之前并沒有注意到這篇論文。在其中一幅圖像的放大部分，晶體形态清晰可見。在量子流體中可以看到兩處連接配接，或者說橋，而不是我們在水中看到過的一個大洞，量子流體有一整串量子化的漩渦。在圖像的放大部分，MIT 的研究人員發現了許多這樣的小孔狀圖案，它們以規則重複的方式連結在一起。
「當雲朵在天空互相交彙時也會發生類似的現象，」Zwierlein 說道。「原本均勻的雲會開始以開爾文 - 亥姆霍茲模式形成連續的手指。」
看到這裡，你可能會說：又是一個花哨的量子力學研究，但沒什麼實際意義吧？答案是否定的，整個宇宙都是基于量子的。MIT 的這項研究獲得了美國國防研究進階計劃局 DARPA 的資助，該機構希望使用一圈量子龍卷風作為極其靈敏的旋轉傳感器。
如果你駕駛一艘潛艇在水底巡遊，由于水隔絕了通信能力，你可能就需要使用光纖陀螺儀來檢測輕微的旋轉運動。光在光纖中以不同方式傳播，如果整個物體都在旋轉，你應該能得到一個幹涉圖案。但如果你使用的是原子而不是光，你應該能夠更好地完成這項工作，因為原子要慢得多。
這種量子龍卷風傳感器還可以測量地球自轉的微小變化，或許我們可以通過它來了解地球核心是如何影響事物的。
MIT 科學家已經打開了新世界的大門，但還沒有完全打開。目前可以确認的是那些小龍卷風仍然是玻色 - 愛因斯坦凝聚體，因為即使是最小的龍卷風每個仍然有大約 10 個原子。如果每個渦旋隻有一個原子，就會産生量子霍爾效應，這是一種不同的物質狀态。假如每個漩渦有兩個原子，你會得到一種「分數量子霍爾」流體，每個原子「做自己的事情，不共享波函數，」Zwierlein 說。
量子霍爾效應現在被用來定義電阻最小機關：普朗克常數 h 除以電子電荷 e 的平方 (h/e2) 的比率——這個數字稱為馮 · 克裡青常數——這與基礎實體學一樣基本。
但是這種效應仍然沒有被人們完全了解。Zwierlein 認為，大多數研究都集中在電子的行為上，MIT 的研究人員正試圖使用鈉原子作為替代品。
是以，盡管它們還沒有完全到達最小的尺度，但在到達極限的過程中仍有很大的發現空間。正如費曼所說的那樣（There's Plenty of Room at the Bottom）。
參考内容：
https://spectrum.ieee.org/quantum-tornadoes-mit
https://phys.org/news/2022-01-physicists-ultracold-atoms-crystal-quantum.html
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