世界信息:“一些奇怪的事情正在发生”--物理学家回答了一个数十年前的问题

一种不同类型的混沌

这个问题属于 “多体”物理学的范畴，它审视了具有多个相互作用部分的量子系统的物理特性。虽然多体问题几十年来一直是一个研究和辩论的问题，但这些系统的复杂性如叠加和纠缠等量子行为引发了众多的可能性，这使它不可能仅仅通过计算来解决。“这个问题的许多方面都是现代计算机无法解决的，”Weld补充道。

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幸运的是，这个问题并没有超出使用超冷锂原子和激光器的实验的范围。那么当交互作用被引入一个无序、混乱的量子系统时会发生什么？

Weld表示，这是一种“奇怪的量子状态，一种反常的状态，其属性在某种意义上介于经典预测和非相互作用的量子预测之间。”

物理学家们的发现最近发表在《Nature Physics》上。

“一些奇怪的事情正在发生”

当涉及到奇怪的、反直觉的行为时，量子领域并没有让人失望。考虑一个正常的钟摆，它的行为跟我们预期的受到能量脉冲的影响完全一样。

Weld说道：“如果你每隔一段时间就踢它并上下摇晃它，一个经典的钟摆就会不断地吸收能量，开始到处摇摆，并混乱地探索整个参数空间。”

混沌在量子系统中出现的方式不同。无序不是运动，而是可能使粒子陷入某种停滞状态。并且跟经典钟摆不同，一个被踢的量子钟摆或“转子”最初可能从踢中吸收能量，但在反复踢之后，系统停止吸收能量，动量分布冻结，即处于所谓的动态局部状态。这种局部化类似于“脏”电子固体的行为，其中无序的结果是不动的、局部的电子，这导致固体从金属或导体（移动电子）变为绝缘体。

虽然这种定位状态在单一的、不相互作用的粒子环境中已经研究了几十年，但当一个无序的系统包含多个相互作用的电子时会发生什么？像这样的问题以及量子混沌的相关方面，在几年前加利茨基访问圣巴巴拉时的一次讨论中，Weld和他的合著者马里兰大学的理论家Victor Galitski想到了。

“Victor提出的问题是，如果你有一群这样的转子，而且它们都可以相互碰撞和相互作用，而不是这种通过干涉来稳定的纯粹的非相互作用的量子系统会发生什么？定位是否持续存在，还是被相互作用所破坏？”Weld说道。

“的确，这是一个非常困难的问题，它跟统计力学的基础和遍历性的基本概念有关，据此，大多数相互作用的系统最终会热化为一个普遍的状态，”Galitski说道。

想象一下，将冷牛奶倒入热咖啡中。你杯子里的粒子会随着时间的推移通过它们的相互作用将自己排列成一个统一的平衡状态。这种类型的行为--热化--是所有相互作用系统的预期。也就是说，直到大约16年前，有人认为量子系统中的无序状态被认为会导致多体定位(MBL)。

Galitski说道：“这种现象在今年早些时候得到了Lars Onsager奖的认可，但很难在理论上严格证明或在实验上确立。”

Weld的小组拥有技术和专业知识，其可以从字面上阐明这一情况。在他们的实验室里，有一个由10万个超冷的锂原子组成的气体悬浮在一个光的驻波中。每个原子代表一个量子转子，其可以被激光脉冲踢开。

Weld说道：“我们可以使用一种叫做Feshbach共振的工具来保持原子之间的隐身状态，或我们可以用任意强的相互作用使它们相互反弹”通过转动一个旋钮，研究人员可以使锂原子从排舞变成狂舞区并捕捉到它们的行为。

正如预期的那样，当原子彼此不可见时，它们接受了激光的踢打从而达到一定的程度，之后，尽管反复踢打，它们在动态的局部状态下停止移动。但当研究人员调高互动时，不仅局部状态减少了而且该系统似乎从反复的踢打中吸收了能量，并模仿了经典的混沌行为。

不过Weld指出，虽然相互作用的无序量子系统正在吸收能量，但它这样做的速度比经典系统要慢得多。

他说道：“我们所看到的是一些吸收能量的东西，但不像经典系统那样好。而且看起来能量大致是随着时间的平方根增长，而不是随着时间的线性增长。因此，相互作用并没有使它成为经典；它仍是一个奇怪的量子状态，表现出反常的非局域化。”

测试混沌

Wled的团队使用了一种叫做“回声”的技术，在这种技术中，动能演化被向前运行，然后向后运行，并以直接测量相互作用破坏时间可逆性的方式。这种对时间可逆性的破坏是量子混沌的一个关键标志。

“另一种思考方式则在问：系统在一段时间后对初始状态有多少记忆？”研究论文共同作者Roshan Sajjad说道。他表示，在没有任何扰动的情况下如杂散光或气体碰撞，如果物理学向后运行该系统应该能够返回到其初始状态。“在我们的实验中，我们通过逆转踢球的相位来逆转时间，‘撤销’第一组正常踢球的影响。我们着迷的部分原因是，不同的理论对这种类型的互动设置的结果预测了不同的行为，但从来没有人做过这个实验。”

“混沌的粗略概念是，即使运动规律是时间可逆的，一个多粒子系统可能是如此复杂，对扰动如此敏感，实际上不可能返回到其初始状态，”主要作者Alec Cao说道。他解释称，转折点是在一个有效的无序（局部）状态下，相互作用在某种程度上打破了局部化，甚至系统失去了时间可逆的能力。

“直截了当地讲，你会认为相互作用会破坏时间逆转，但我们看到了更有趣的东西。一点点的互动实际上是有帮助的！这是这项工作中更令人惊讶的结果之一，”Sajjad补充道。

Weld和Galiski并不是唯一见证这种模糊的量子状态的人。华盛顿大学物理学家Subhadeep Gupta和他的团队同时进行了一个补充实验，在一维背景下使用较重的原子产生了类似的结果。这一结果跟加州大学圣巴巴拉分校和马里兰大学的实验结果一起发表在《Nature Physics》上。

“UW的实验是在一个非常困难的物理体系中进行的，25倍重的原子被限制只能在一个维度上移动，但也从周期性的磕碰中测量到了比线性更弱的能量增长，并揭示了一个理论结果一直冲突的领域，”Gupta说道。

这些发现，就像许多重要的物理学结果一样，开启了更多的问题并为更多的量子混沌实验铺平了道路，在那里，人们梦寐以求的经典和量子物理学之间的联系可能会被发现。