最近，科學家們觀察到了一個經(jīng)典物理學讓位于量子行為的令人驚嘆的演示。它將一種由超低溫鈉原子組成的流體，操縱形成一種獨特的龍卷風狀結(jié)構(gòu)。
上圖：形成旋渦狀、龍卷風狀結(jié)構(gòu)的粒子。
實際上，粒子在量子層面上的行為是有所不同的，部分原因就是在這一點上，它們之間的相互作用比它們運動產(chǎn)生的能量對它們的影響更大。
當然，還有一個令人難以置信的事實，那就是量子粒子并不像你我一樣有一個固定的位置，這也影響了它們之間的相互作用。
通過將粒子冷卻到盡可能接近絕對零度，并消除其他干擾，物理學家就可以觀察這些奇怪的相互作用發(fā)生時的情況，正如麻省理工學院（MIT）的一個團隊剛剛做的那樣。
麻省理工學院物理學家馬丁·茲維萊恩（Martin Zwierlein）說：“能夠直接看到這些量子效應是一個突破?！?/p>
該團隊利用激光和電磁鐵捕獲并旋轉(zhuǎn)了大約100萬個鈉原子的云團。在之前的研究中，物理學家證明了這將使云團旋轉(zhuǎn)成一種長長的針狀結(jié)構(gòu)，即玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，在這種結(jié)構(gòu)中，氣體開始表現(xiàn)得像一個具有共同屬性的單一實體。
馬丁·茲維萊恩表示：“在傳統(tǒng)的流體中，比如香煙煙霧，它只會變得越來越稀薄。但在量子世界里，流體的稀薄程度是有限度的?！?/p>
在這項新的研究中，麻省理工學院的物理學家Biswaroop Mukherjee和他的同事超越了這一階段，捕捉到了一系列的吸收圖像，揭示了原子“從主要受經(jīng)典物理支配轉(zhuǎn)變?yōu)榱孔游锢碇洹焙蟀l(fā)生了什么。
下圖突出顯示了超冷原子在微秒范圍內(nèi)的密度。
上圖：原子云由針狀的冷凝物（左）演化而來，穿過蛇形的不穩(wěn)定性（中），并形成了微型龍卷風（右）。
甚至在相鄰的晶體之間也有微小的黑點（見下圖，“x”標記），這是反向流動的漩渦發(fā)生的地方 —— 就像我們在復雜的天氣系統(tǒng)中看到的那樣（想想木星上翻滾的風暴）。
馬丁·茲維萊恩解釋說：“在這里，我們有量子天氣：流體，僅僅因為它的量子不穩(wěn)定性，碎片變成了更小的云和漩渦的晶體結(jié)構(gòu)?！?/p>
“這種演變與蝴蝶效應的想法有關(guān)，因為不穩(wěn)定會引發(fā)湍流。即使在經(jīng)典物理學中，這也會產(chǎn)生有趣的模式形成，就像云團環(huán)繞地球一樣，以美麗的螺旋運動?，F(xiàn)在我們可以在量子世界中研究這一點。”
這個團隊控制了這個系統(tǒng)，所以沒有其他東西對原子主體施加力。這意味著只有粒子本身的相互作用和它們的旋轉(zhuǎn)在起作用。它們由此產(chǎn)生的行為顯示出超固態(tài)特性，有點像電子以維格納晶體的形式產(chǎn)生的特性。
傳統(tǒng)的晶體固體通常由原子組成，排列在一個固定的、重復的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中，這些結(jié)構(gòu)繼續(xù)波動，但保持在一個可定義的模式內(nèi) —— 就像液體通過保持和流過一個固定的形狀而假裝成固體。
該團隊基本上讓原子表現(xiàn)得像磁場中的電子一樣。以這種方式使用原子使得由此產(chǎn)生的量子現(xiàn)象更容易操作和觀察，為更多關(guān)于這個令人費解的世界的發(fā)現(xiàn)開辟了道路。
馬丁·茲維萊恩最后表示：“我們可以想象單個原子在做什么，看看它們是否遵循同樣的量子力學物理?！?/p>
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