我們所經(jīng)歷的世界是由精典數(shù)學(xué)學(xué)支配的。我們?cè)趺绰?lián)通、我們?cè)谀抢镆约拔覀兦斑M(jìn)的速率都是由精典假定決定的，即我們只能在任何時(shí)刻存在于一個(gè)地方。
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圖注：如同月球上天氣模式的產(chǎn)生一樣，在這兒，量子粒子的旋轉(zhuǎn)流體分解成由旋轉(zhuǎn)的龍卷風(fēng)狀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的晶體。
但在量子世界中，單個(gè)原子的行為受一個(gè)古怪的原理支配，即粒子的位置是機(jī)率。比如，在同一時(shí)間，一個(gè)原子有一定的機(jī)會(huì)在一個(gè)位置，另一個(gè)機(jī)會(huì)在另一個(gè)位置。
當(dāng)粒子互相作用時(shí)，純粹是因?yàn)檫@種量子效應(yīng)的結(jié)果，還會(huì)出現(xiàn)一系列奇怪的現(xiàn)象。并且在精典世界的壓倒性噪聲中觀(guān)察互相作用粒子的這些純量子熱學(xué)行為是一項(xiàng)繁重的任務(wù)。
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如今，麻省理工大學(xué)的化學(xué)學(xué)家早已直接觀(guān)察到了特定物質(zhì)狀態(tài)下互相作用和量子熱學(xué)的互相作用：超冷原子的旋轉(zhuǎn)流體。研究人員預(yù)測(cè)，在旋轉(zhuǎn)流體中，互相作用將占主導(dǎo)地位，并驅(qū)使粒子表現(xiàn)出獨(dú)特的、前所未見(jiàn)的行為。
在昨天發(fā)表在《自然》雜志上的一項(xiàng)研究中，麻省理工大學(xué)的團(tuán)隊(duì)快速旋轉(zhuǎn)了一種超冷原子的量子流體。她們看著最初的方形原子云首先變型為狹長(zhǎng)的棒狀結(jié)構(gòu)。之后量子物理學(xué)家有哪些，當(dāng)精典效應(yīng)應(yīng)當(dāng)被抑制，只留下互相作用和量子定理來(lái)支配原子的行為時(shí)，針自發(fā)地弄成了一種晶體模式，類(lèi)似于一串微型量子龍卷風(fēng)。
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麻省理工大學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)助理院長(zhǎng)理查德弗萊徹說(shuō)：“這種結(jié)晶純粹是由互相作用驅(qū)動(dòng)的，它告訴我們我們正在從精典世界步入量子世界。”
結(jié)果是快速旋轉(zhuǎn)的量子二氧化碳演變的第一個(gè)直接原位記錄。麻省理工大學(xué)A.Frank數(shù)學(xué)學(xué)院士馬丁·茨維爾萊茵（）表示，載流子原子的演變與月球自轉(zhuǎn)怎樣形成大規(guī)模天氣模式大致相像。
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“解釋月球旋轉(zhuǎn)效應(yīng)的科里奧利效應(yīng)類(lèi)似于解釋帶電粒子在磁場(chǎng)中的行為的洛倫茲力，”茨維爾萊因強(qiáng)調(diào)，“即使在精典數(shù)學(xué)學(xué)中，這也會(huì)形成有趣的模式產(chǎn)生，如同云層以美麗的螺旋運(yùn)動(dòng)環(huán)繞月球一樣。如今我們可以在量子世界中研究這一點(diǎn)。”
該研究的專(zhuān)著者包括、、ParthB.Patel、Yan、和Crépel，她們都隸屬于麻省理工大學(xué)-耶魯超冷原子中心和麻省理工大學(xué)電子研究實(shí)驗(yàn)室。
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旋轉(zhuǎn)替身
在20世紀(jì)80年代，化學(xué)學(xué)家開(kāi)始觀(guān)察稱(chēng)為量子霍爾流體的新物質(zhì)家族，它由懸浮在磁場(chǎng)中的電子云組成。正如精典數(shù)學(xué)學(xué)所預(yù)測(cè)的那樣，這種粒子并沒(méi)有互相敵視并產(chǎn)生晶體，而是以一種相關(guān)的量子形式將它們的行為調(diào)整為它們的鄰居正在做的事情。
“人們發(fā)覺(jué)了各類(lèi)驚人的特點(diǎn)，緣由是，在磁場(chǎng)中，電子（一般）被凍結(jié)在原地——它們的所有動(dòng)能都被關(guān)掉了，剩下的就是純粹的互相作用，”弗萊徹說(shuō)，“所以，整個(gè)世界都出現(xiàn)了，但觀(guān)察和理解是十分困難的。”
非常是，磁場(chǎng)中的電子以很難看到的特別小的運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。茨維爾萊茵和他的朋友們推測(cè)，因?yàn)樾D(zhuǎn)中原子的運(yùn)動(dòng)發(fā)生在更大的寬度尺度上量子物理學(xué)家有哪些，她們可能還能使用超冷原子作為電子的取代品，但是才能觀(guān)察到相同的化學(xué)現(xiàn)象。
“我們想，讓這種冷原子表現(xiàn)得似乎它們是磁場(chǎng)中的電子一樣，但我們可以精確控制，”茨維爾萊茵說(shuō)，“然后我們可以想像單個(gè)原子在做哪些，瞧瞧它們是否遵守相同的量子熱學(xué)化學(xué)學(xué)。”
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旋轉(zhuǎn)木馬中的天氣
在她們的新研究中，數(shù)學(xué)學(xué)家使用激光捕獲了大概100萬(wàn)個(gè)鈉原子的云，并將這種原子冷卻到大概100納開(kāi)爾文的體溫。之后，她們使用電磁鐵系統(tǒng)形成一個(gè)圈套來(lái)限制原子，并以每秒約100轉(zhuǎn)的速率共同旋轉(zhuǎn)原子，如同碗中的彈珠一樣。
該團(tuán)隊(duì)用單反對(duì)云進(jìn)行了成像，捕捉到了一個(gè)類(lèi)似于兒童在游樂(lè)場(chǎng)旋轉(zhuǎn)木馬上面向中心時(shí)的視角。大概100納秒后，研究人員觀(guān)察到原子旋轉(zhuǎn)成一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的棒狀結(jié)構(gòu)，達(dá)到臨界的量子薄度。
“在精典流體中，例如香煙煙霧，它只會(huì)顯得越來(lái)越黏稠，”茨維爾萊茵說(shuō)，“但在量子世界中，流體達(dá)到了它可以變薄的極限。”
“當(dāng)我們聽(tīng)到它早已達(dá)到這個(gè)極限時(shí)，我們有充分的理由覺(jué)得我們正在敲開(kāi)有趣的量子化學(xué)學(xué)的房門(mén)，”弗萊徹補(bǔ)充道，他與茨維爾萊茵一起在之前的一篇科學(xué)論文中發(fā)表了迄今為止的結(jié)果。“那么問(wèn)題是，在純粹的旋轉(zhuǎn)和互相作用的影響下，這些棒狀薄的液感受做哪些？”
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在她們的新論文中，該團(tuán)隊(duì)將她們的實(shí)驗(yàn)更進(jìn)一步，以了解棒狀流體將怎樣演化。隨著流體繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，她們觀(guān)察到一種量子不穩(wěn)定性開(kāi)始出現(xiàn)：針開(kāi)始晃動(dòng)，之后開(kāi)瓶器，最后破成一串旋轉(zhuǎn)的黑斑，或微型龍卷風(fēng)——一種量子晶體，純粹由二氧化碳的旋轉(zhuǎn)和原子之間的力。
“這種演化與一個(gè)看法有關(guān)，即中國(guó)的蝴蝶怎樣在這兒導(dǎo)致風(fēng)暴，由于不穩(wěn)定引起了紊流，”茨維爾萊茵解釋道，“在這兒，我們有量子天氣：流體，只是由于它的量子不穩(wěn)定性，分裂成這些由較小的云和旋渦組成的晶體結(jié)構(gòu)，才能直接看見(jiàn)這種量子效應(yīng)是一個(gè)突破。”