我們所經(jīng)歷的世界是由精典數(shù)學(xué)學(xué)支配的。我們怎么聯(lián)通、我們在那里以及我們前進的速率都是由精典假定決定的，即我們只能在任何時刻存在于一個地方。
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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，單個原子的行為受一個古怪的原理支配，即粒子的位置是機率。比如，在同一時間，一個原子有一定的機會在一個位置，另一個機會在另一個位置。
當(dāng)粒子互相作用時，純粹是因為這種量子效應(yīng)的結(jié)果，還會出現(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察互相作用粒子的這些純量子熱學(xué)行為是一項繁重的任務(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，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)出獨特的、前所未見的行為。
在昨天發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究中，麻省理工大學(xué)的團隊快速旋轉(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支配原子的行為時，針自發(fā)地弄成了一種晶體模式，類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)助理院長理查德弗萊徹說：“這種結(jié)晶純粹是由互相作用驅(qū)動的，它告訴我們我們正在從精典世界步入量子世界?！?span style="display:none">2Mf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
結(jié)果是快速旋轉(zhuǎn)的量子二氧化碳演變的第一個直接原位記錄。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)類似于解釋帶電粒子在磁場中的行為的洛倫茲力，”茨維爾萊因強調(diào)，“即使在精典數(shù)學(xué)學(xué)中，這也會形成有趣的模式產(chǎn)生，如同云層以美麗的螺旋運動環(huán)繞月球一樣。如今我們可以在量子世界中研究這一點?！?span style="display:none">2Mf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
該研究的專著者包括、、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)電子研究實驗室。
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旋轉(zhuǎn)替身
在20世紀(jì)80年代，化學(xué)學(xué)家開始觀察稱為量子霍爾流體的新物質(zhì)家族，它由懸浮在磁場中的電子云組成。正如精典數(shù)學(xué)學(xué)所預(yù)測的那樣，這種粒子并沒有互相敵視并產(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)覺了各類驚人的特點，緣由是，在磁場中，電子（一般）被凍結(jié)在原地——它們的所有動能都被關(guān)掉了，剩下的就是純粹的互相作用，”弗萊徹說，“所以，整個世界都出現(xiàn)了，但觀察和理解是十分困難的。”
非常是，磁場中的電子以很難看到的特別小的運動運動。茨維爾萊茵和他的朋友們推測，因為旋轉(zhuǎn)中原子的運動發(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)得似乎它們是磁場中的電子一樣，但我們可以精確控制，”茨維爾萊茵說，“然后我們可以想像單個原子在做哪些，瞧瞧它們是否遵守相同的量子熱學(xué)化學(xué)學(xué)?！?span style="display:none">2Mf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))
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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100萬個鈉原子的云，并將這種原子冷卻到大概100納開爾文的體溫。之后，她們使用電磁鐵系統(tǒng)形成一個圈套來限制原子，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。
該團隊用單反對云進行了成像，捕捉到了一個類似于兒童在游樂場旋轉(zhuǎn)木馬上面向中心時的視角。大概100納秒后，研究人員觀察到原子旋轉(zhuǎn)成一個長長的棒狀結(jié)構(gòu)，達到臨界的量子薄度。
“在精典流體中，例如香煙煙霧，它只會顯得越來越黏稠，”茨維爾萊茵說，“但在量子世界中，流體達到了它可以變薄的極限。”
“當(dāng)我們聽到它早已達到這個極限時，我們有充分的理由覺得我們正在敲開有趣的量子化學(xué)學(xué)的房門，”弗萊徹補充道，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?！澳敲磫栴}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，該團隊將她們的實驗更進一步，以了解棒狀流體將怎樣演化。隨著流體繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，她們觀察到一種量子不穩(wěn)定性開始出現(xiàn)：針開始晃動，之后開瓶器，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。
“這種演化與一個看法有關(guān)，即中國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)，才能直接看見這種量子效應(yīng)是一個突破?！?span style="display:none">2Mf物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))