物理学家首次看到量子世界的龙卷风

FacebookPrintFont Size繁体

【新唐人北京时间2022年01月17日讯】1月5日发表于《自然》(Nature)期刊的一份研究说,麻省理工学院(MIT)的物理学家第一次直接观测到大量超低温原子构成的流体在高速旋转状态下产生的量子现象。

他们看到,一开始这些高速旋转的原子云变成一根细小的针状结构。接着,针状结构越来越细,经典物理效应越发受到抑制,直到超过某个临界点后,完全由量子效应控制原子云的行为。此时,细针逐渐变成了量子晶体结构,也就是一长串由一个个小型量子龙卷风串接在一起的结构。

研究者之一麻省理工学院物理学助理教授理查德·弗莱彻(Richard Fletcher)说:“晶体结构完全由(原子之间的)互动形成,表明它们已经从经典物理学世界进入了量子世界。”

合作研究者物理学教授托马丁·茨维莱恩(Martin Zwierlein)说,旋转原子云的演化过程和地球的旋转导致大尺度范围天气的演化现象类似。

他说:“科里奥利效应(Coriolis effect)解释地球旋转带来的效应,这和劳仑兹力(Lorentz force)解释带电粒子在磁场内的效应类似。即使在经典物理学掌管的世界里,这也会导致产生一些有趣的现象,比如包裹地球的云层呈现好看的螺旋状。现在,我们研究量子世界里类似的效应。”

科里奥利效应指的是如飞机、风、导弹和洋流等物体,相对于地球表面沿直线运动时所产生的明显偏转。

研究人员使用激光控制住大约100万个钠原子,把它们冷却到非常接近绝对零度的低温状态。再向这些原子施加一个电磁场,将其限制在一个空间范围内,并快速旋转。这些原子在电磁场内的旋转状态,就像很多弹珠在一个碗里旋转一样,每秒可转大约100圈。

研究组使用一个相机对着这些原子进行观测,犹如一个孩子看着旋转木马上的中心。大约100毫秒后,研究人员看到这些原子变成一根细长的针状,此时已经接近量子临界点。

茨维莱恩说:“在经典流体里,例如香烟的烟雾,会越变越薄,但是在量子世界里,它将达到一个极限。我们看到它逼近极限,内心非常激动。我们知道即将看到的是量子世界的现象。”

这份新研究终于突破了这个极限,看到了这些原子在量子世界里奇特的形态:细针先是开始摆动,看上去像一缕烟,接着变成如开塞钻(corkscrew)那样的螺旋形态,最后分散成为一串由好几个旋转的团状物排列在一起的形态(见本文标题图片)。这些团状物就像一个个小小的龙卷风,其实是原子云内旋转的原子在相互作用力的影响下而产生的量子晶体结构。

茨维莱恩说,这个量子龙卷风现象与宏观世界的“蝴蝶效应”有异曲同工之妙,即系统中一个微小的扰动,都可能演变成系统整体上的巨大变化。

(转自大纪元/责任编辑:叶萍)

相关文章
评论