揭示量子系统动力学中的通用物理学

使用超冷原子的一维气体的新实验揭示了由许多粒子组成的量子系统如何随时间变化的普遍性，因为大量能量涌入使系统失去平衡。宾夕法尼亚州立大学的一组物理学家表明，这些气体会立即做出反应，“进化”出所有以这种方式失去平衡的“多体”量子系统共有的特征。一篇描述这些实验的论文发表在 17 年 2023 月 <> 日的《自然》杂志上。

“上个世纪物理学的许多重大进展都涉及具有许多粒子的量子系统的行为，”宾夕法尼亚州立大学杰出物理学教授，研究小组的领导者之一David Weiss说。“尽管有各种各样的'多体'现象，如超导性、超流动性和磁性，但人们发现它们接近平衡的行为通常足够相似，以至于它们可以被分类为一小组的通用类。相比之下，远离平衡的系统的行为已经屈服于很少有这种统一的描述。

Weiss解释说，这些量子多体系统是粒子的集合，就像原子一样，它们可以相对于彼此自由移动。当它们足够密集和寒冷的组合时，可以根据上下文而变化，量子力学 - 在原子或亚原子尺度上描述自然属性的基本理论 - 需要描述它们的动力学。

当成对的重离子以接近光速的速度碰撞时，粒子加速器中通常会产生严重失衡的系统。碰撞产生一个等离子体 - 由亚原子粒子“夸克”和“胶子”组成 - 在碰撞的早期出现，可以用流体动力学理论描述 - 类似于用于描述气流或其他移动流体的经典理论 - 在等离子体达到局部热平衡之前。但是，在流体动力学理论被使用之前，在惊人的短时间内会发生什么?

“在流体动力学可以使用之前发生的物理过程被称为'水力动力学'，”宾夕法尼亚州立大学物理学教授，研究小组的另一位负责人Marcos Rigol说。“已经发展了许多理论来试图理解这些碰撞中的水动力作用，但情况相当复杂，不可能像粒子加速器实验中那样实际观察到它。使用冷原子，我们可以观察水力动力学过程中发生的事情。

宾夕法尼亚州立大学的研究人员利用了一维气体的两个特殊特征，这些气体被激光捕获并冷却到接近绝对零度，以了解系统在失去平衡后但在应用流体动力学之前的演变。第一个功能是实验性的。实验中的相互作用可以在能量流入后的任何时候突然关闭，因此可以直接观察和测量系统的演变。具体来说，他们观察了能量突然淬灭后一维动量分布的时间演变。

“由激光制成的陷阱中的超冷原子允许如此精细的控制和测量，它们可以真正揭示多体物理学，”Weiss说。“令人惊讶的是，表征相对论性重离子碰撞的相同基本物理学，一些在实验室中有史以来最有能量的碰撞，也出现在我们在实验室中进行的能量低得多的碰撞中。

第二个特点是理论上的。以复杂方式相互作用的粒子集合可以描述为相互相互作用的“准粒子”的集合，其相互相互作用要简单得多。与大多数系统不同，一维气体的准粒子描述在数学上是精确的。它允许非常清楚地描述为什么能量在失去平衡后会迅速在整个系统中重新分配。

“这些一维气体中的已知物理定律，包括守恒定律，意味着一旦这种初始演变发挥作用，流体动力学描述将是准确的，”Rigol说。“实验表明，这发生在达到局部平衡之前。因此，实验和理论共同提供了一个水力动力的模型示例。由于水力动力学发生得如此之快，准粒子方面的基本理解可以应用于任何增加了大量能量的多体量子系统。

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