在這，也在那
我們所體驗的世界是由經典實體學支配的。經典實體學假設，我們在任何時刻隻能存在于一個地方，這一前提決定了我們所處的位置，以及移動的方式和速度。
然而在量子世界，微觀的粒子受奇怪的量子實體學支配，當它們發生互相作用時，可以表現出一系列奇怪的現象。例如，粒子可以同時處于不同的位置，也可以穿過本該不可逾越的障礙，甚至可以瞬間跨越巨大的距離與其他粒子共享資訊。
然而，想要在經典世界觀察這些脆弱的互相作用是件非常棘手的事。一種放大量子效應的方法是将粒子冷卻到接近絕對零度的溫度，進而創造出一種被稱為玻色-愛因斯坦凝聚的物質狀态，這種物質狀态可以在更大的、可見的尺度上展現量子特性。
最近，《自然》雜志上刊登了一項新的研究表明，實體學家利用這種方法記錄了原子從經典到量子行為的關鍵轉變。
量子霍爾流體
新論文所研究的是一種被稱為量子霍爾流體的物質狀态。在上世紀80年代，實體學家開始對它們進行研究。這種特殊的物質狀态是由漂浮在磁場中的電子雲組成的，其中的電子并不會像經典實體學預測的那樣互相排斥并形成晶體，而是以一種不同尋常的方式發生互相作用——它們會根據近鄰電子的行為來調整自己的行為，産生量子效應。
在磁場中，這樣的流體可以表現出各種各樣的驚人特性。原因在于這些電子在磁場中會被“當機”，它們的所有動能都會被“關閉”，隻剩下純粹的互相作用。于是，這樣一個奇異的世界就出現了。但是，這樣的現象很難以被觀測和了解，因為在磁場中，電子的運動太過于微小。
在新研究中，研究團隊想，與電子相比，原子在旋轉下的運動發生在更大的長度尺度上，是以推測如果用超冷原子代替電子，讓它們表現得像磁場中的電子，并且對它們進行精确的控制，那麼或許就能觀察到原子是否也遵循相同的量子實體學。
超冷原子構成的自旋流體
在實驗中，研究團隊制作出了一種由超冷原子組成的自旋流體。他們用雷射捕獲了大約100萬個鈉原子，并将它們冷卻到大約100納開爾文（nK）的溫度。接着，他們用一個電磁體系統來産生一個可以限制原子的阱，将原子雲置于這個電磁阱中，再以大約每秒100轉的速率對原子進行集體性的快速旋轉。
就像地球上天氣模式的形成一樣，一種由量子粒子構成的旋轉流體形成了一種由漩渦狀、龍卷風狀結構形成的晶體。| 圖檔來源：Zwierlein et al. / MIT News
他們觀察到大約在100毫秒後，原本一開始呈圓形的原子雲開始變形成細長的針狀結構。旋轉仍在繼續，針狀結構像扭動的蛇一樣來回彎曲，并且變得越來越細。當它的厚度達到臨界值時，經典效應就被會抑制，隻留下互相作用和量子效應主導量子的行為。這時，針狀結構會自發打破，碎裂成離散的部分。這些離散部分會形成一種奇怪的結晶模式，研究人員将其描述為一串微型的量子龍卷風。
這種結晶過程完全是由原子間的互相作用驅動的，它預示着我們從經典世界進入了量子世界。因為在經典的流體中，比如香煙的煙霧，它隻會不斷地變薄，而不會達到一個極限；但在量子世界中，流體的厚度可以達到一個臨界的極限值。當觀察到這個極限時，就表明研究人員觀察到了針狀的流體在純粹的旋轉和互相作用的影響下演化。
量子效應的一個突破
這是對快速旋轉量子氣體的演化的首個直接的、原位的記錄。其實，自旋原子的演化與地球的自轉導緻大規模的天氣模式大緻相似。在地球科學中，解釋地球旋轉效應的科裡奧利效應與實體學中解釋了帶電粒子在磁場中的行為的洛倫茲力相似。即使在經典實體學中，這也會有這樣有趣的模式形成，比如雲環繞着地球螺旋運動。
現在，新的研究讓我們可以對量子世界中的這種現象進行觀察，研究人員觀察到了流體所顯現出的量子不穩定性，并由此最終形成的一種像是微型的量子龍卷風一樣的結晶模式。這種演化讓研究人員聯想到了蝴蝶效應，那同樣是種因為不穩定性而引發湍流的。在新研究中，與之對應是“量子天氣”：剛具有量子不穩定性的流體的碎片，變成了更小的“雲”和“漩渦”的結晶結構。能夠直接觀察到這些量子效應是一個突破。
#創作團隊：
編譯：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://news.mit.edu/2022/ultracold-atoms-quantum-0105
https://newatlas.com/physics/quantum-tornadoes-mit/
#圖檔來源：
封面圖：DWilliam / Pixabay
首圖：Zwierlein et al. / MIT News
轉載自“原理”公衆号
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