我們所經(jīng)歷的世界是由經(jīng)典物理學(xué)支配的。我們如何移動(dòng)，我們在哪里，以及我們的速度有多快，都是由經(jīng)典的假設決定的，即我們在任何一個(gè)時(shí)間點(diǎn)只能存在于一個(gè)地方。但在量子世界中，單個(gè)原子的行為是由一個(gè)粒子的位置是一個(gè)按照概率的奇妙的原理所支配的。例如，在同一個(gè)確切的時(shí)間一個(gè)原子有一定的機會(huì )在一個(gè)地方，而另一個(gè)機會(huì )在另一個(gè)地方。

　　當粒子相互作用時(shí)，純粹作為這些量子效應的結果，一系列奇怪的現象應該隨之產(chǎn)生。但是，在經(jīng)典世界的壓倒性噪音中觀(guān)察相互作用的粒子的這種純粹的量子力學(xué)行為是一項棘手的工作。

　　現在，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家們已經(jīng)直接觀(guān)察到在一種特殊的物質(zhì)狀態(tài)下相互作用和量子力學(xué)的相互作用：一種超冷原子的旋轉流體。研究人員預測，在旋轉的流體中，相互作用將占主導地位，并推動(dòng)粒子表現出奇異的、從未見(jiàn)過(guò)的行為。

　　就像地球上天氣模式的形成一樣，在這里，量子粒子的旋轉流體分解成一個(gè)由旋轉的、類(lèi)似龍卷風(fēng)的結構形成的晶體。

　　在 2022 年 1 月 5 日發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究中，麻省理工學(xué)院的團隊快速旋轉了超冷原子的量子流體。他們觀(guān)察到，最初的圓形原子云首先變形為一個(gè)薄薄的針狀結構。然后，在經(jīng)典效應應該被抑制，只留下相互作用和量子法則來(lái)主導原子行為的時(shí)候，針狀物自發(fā)地斷成了一個(gè)結晶圖案，類(lèi)似于一串微型的量子龍卷。

　　麻省理工學(xué)院物理學(xué)助理教授理查德-弗萊徹說(shuō)："這種結晶純粹是由相互作用驅動(dòng)的，這個(gè)過(guò)程告訴我們我們正在從經(jīng)典世界走向量子世界。"

　　這些結果是對快速旋轉的量子氣體的演變的第一個(gè)直接的、現場(chǎng)的記錄。麻省理工學(xué)院的托馬斯-A-弗蘭克物理學(xué)教授 Martin Zwierlein 說(shuō)，旋轉的原子的演變大致類(lèi)似于地球的自轉如何旋轉出大規模的天氣模式。

　　解釋地球旋轉效應的科里奧利效應類(lèi)似于解釋帶電粒子在磁場(chǎng)中如何表現的洛倫茲力，即使在經(jīng)典物理學(xué)中，這也會(huì )產(chǎn)生耐人尋味的模式形成，比如云層以美麗的螺旋運動(dòng)包裹著(zhù)地球。而現在我們可以在量子世界中研究這個(gè)問(wèn)題。

　　這項研究的共同作者包括 Biswaroop Mukherjee、Airlia Shaffer、Parth B. Patel、Zhenjie Yan、Cedric Wilson 和 Valentin Crépel，他們都隸屬于麻省理工學(xué)院-哈佛大學(xué)超冷原子中心和麻省理工學(xué)院的電子研究實(shí)驗室。

　　在 20 世紀 80 年代，物理學(xué)家開(kāi)始觀(guān)察一種被稱(chēng)為量子霍爾流體的新物質(zhì)家族，它由漂浮在磁場(chǎng)中的電子云組成。這些粒子不是像經(jīng)典物理學(xué)預測的那樣相互排斥并形成晶體，而是以一種相關(guān)的、量子的方式，根據其鄰居的行為調整自己的行為。特別是，磁場(chǎng)中的電子以非常小的運動(dòng)方式移動(dòng)很難看到。Zwierlein 和他的同事推斷，由于原子在旋轉下的運動(dòng)發(fā)生在更大的長(cháng)度尺度上，他們也許能夠使用超冷原子作為電子的替身，并能夠觀(guān)察到相同的物理現象。

　　讓這些冷原子的行為就像它們在磁場(chǎng)中的電子一樣，但可以被精確控制。然后我們可以直觀(guān)地看到單個(gè)原子在做什么，判斷它們是否服從相同的量子力學(xué)物理學(xué)。

　　在他們的新研究中，物理學(xué)家們用激光捕獲了一團約 100 萬(wàn)個(gè)鈉原子，并將原子冷卻到約 100 納克爾文的溫度。然后他們使用電磁鐵系統產(chǎn)生一個(gè)陷阱來(lái)限制原子，并集體旋轉原子，就像碗里的彈珠一樣，每秒大約旋轉 100 次。

　　研究小組用照相機對原子云進(jìn)行了成像，捕捉到了類(lèi)似于兒童在游樂(lè )場(chǎng)旋轉木馬上面向中心時(shí)的視角。大約 100 毫秒后，研究人員觀(guān)察到原子旋轉成一個(gè)長(cháng)長(cháng)的針狀結構，并形成了一個(gè)最高點(diǎn)。
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