量子效應(yīng)阻止了數(shù)千個(gè)原子升溫，揭示出熵與混沌的一個(gè)隱藏極限。

想象一下反復(fù)搖晃一個(gè)雪花玻璃球。你會(huì)預(yù)期里面的雪花會(huì)無休止地散開。然而，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們反復(fù)沖擊宇宙中一些最冷的原子時(shí)，這些原子卻拒絕擴(kuò)散。

這些原子非但沒有升溫并解體，反而似乎將自己鎖定在原位，違背了物理學(xué)中最基本的預(yù)期之一 —— 所有系統(tǒng)最終都必須失去其有序性并熱化（將其能量均勻散布，直至變得毫無特征）。

研究人員稱，這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了關(guān)于自然界中能量流動(dòng)方式的一個(gè)長期假設(shè)，并揭示出奇特的量子行為形式，有朝一日可能為新型技術(shù)提供動(dòng)力。

為什么原子沒有升溫？

幾十年來，科學(xué)家們一直為一個(gè)悖論所困擾。當(dāng)你將許多相互作用的粒子放在一起時(shí)，它們混亂的運(yùn)動(dòng)通常會(huì)導(dǎo)致混沌和熱量，使得秩序無法維持。

然而，早在上世紀(jì)50年代的理論就曾提出，量子效應(yīng)有時(shí)可以保護(hù)一個(gè)系統(tǒng)免于這種命運(yùn)，但在真實(shí)的多粒子實(shí)驗(yàn)中證明這一點(diǎn)幾乎是不可能的。當(dāng)涉及的原子超過幾個(gè)時(shí)，計(jì)算就迅速變得難以處理。

此前的一些實(shí)驗(yàn)曾暗示升溫過程存在暫時(shí)的減緩，但原子遲早總會(huì)吸收能量并失去其相干性。問題依然存在：一個(gè)真正相互作用的多體量子系統(tǒng)，真的能完全抵抗熱化嗎？

為了測(cè)試這個(gè)謎題，奧地利因斯布魯克大學(xué)的研究人員構(gòu)建了一個(gè)極其精密的裝置。他們從大約10萬個(gè)銫原子開始，這些原子被冷卻到僅比絕對(duì)零度高幾十億分之一度的極低溫。在這種極端低溫下，原子不再表現(xiàn)得像經(jīng)典的彈珠，而是遵循量子力學(xué)的奇特規(guī)則。

研究團(tuán)隊(duì)將這些原子限制在數(shù)千根微小的管子中，每根管子僅有一個(gè)原子粗細(xì)，有效地將系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為一維氣體。然后就是沖擊。研究人員使用脈沖的正弦波激光勢(shì)，周期性地向原子施加能量沖擊，有時(shí)多達(dá)數(shù)百次。

這些反復(fù)的沖擊本應(yīng)使原子升溫、飛散開來，并擴(kuò)散成混亂的速度分布。然而，這些都沒有發(fā)生。在經(jīng)歷了一些初始演化后，原子的動(dòng)量分布停止了擴(kuò)散，即使在經(jīng)歷了數(shù)百次沖擊之后也是如此。
動(dòng)量最終凍結(jié)了，整個(gè)粒子集合體非但沒有熱化，反而穩(wěn)定在一個(gè)量子態(tài)中，以幾乎相同的速度運(yùn)動(dòng)，仿佛被粘在一起。

擊敗熱化的重要性

通常情況下，升溫是量子系統(tǒng)的敵人。它會(huì)抹殺相干性，并摧毀研究人員希望利用的關(guān)鍵特性�！盁峄肋h(yuǎn)是量子效應(yīng)的死亡之吻，”布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的量子物理專家羅伯特·科尼克（Robert Konik）解釋道。他沒有參與當(dāng)前這項(xiàng)研究。

找到防止這種量子崩潰的方法，對(duì)于量子傳感器、量子存儲(chǔ)器甚至某些類型的量子計(jì)算機(jī)等技術(shù)至關(guān)重要。

此外，當(dāng)前研究的發(fā)現(xiàn)不僅展示了一種避免熱化的途徑，也提醒我們量子世界并不總是遵循經(jīng)典規(guī)則。例如，常規(guī)世界中的系統(tǒng)往往遵循熵增定律，但這項(xiàng)研究表明，超冷原子有能力違抗熵增和混沌法則。

因斯布魯克團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在計(jì)劃更進(jìn)一步，將銫原子排列進(jìn)更粗的管子中，并讓它們?cè)诠茏又g移動(dòng)，這些測(cè)試可能揭示這種凍結(jié)行為是普遍存在的，還是僅限于特定條件。

該研究發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

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