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量子复发 一切都回到原来的状态

2019-05-14 11:18:32   来源:

它是物理学中最令人惊讶的结果之一:当一个复杂的系统被单独存在时,它将以几乎完美的精度返回其初始状态。例如,在容器中混乱地旋转的气体颗粒将在一段时间后几乎完全返回到它们的起始位置。这种“庞加莱递归定理”是现代混沌理论的基础。几十年来,科学家们已经研究了这个定理如何应用于量子物理世界。现在,TU Wien(维也纳)的研究人员已成功地在多粒子量子系统中证明了一种“庞加莱复发”。结果发表在“科学”杂志上。

一个老问题,重访

19世纪末,法国科学家亨利·庞加莱(HenriPoincaré)研究了无法完全精确分析的系统 - 例如由许多行星和小行星组成的太阳系,或气体粒子,它们相互碰撞。他令人惊讶的结果是:物理上可能的每个状态都会在某个时刻被系统占用 - 至少达到很好的近似程度。如果我们等待足够长的时间,那么所有的行星都会形成一条直线,只是巧合。盒子中的气体颗粒会产生有趣的图案,或者回到实验开始时的状态。

量子系统可以证明类似的定理。然而,完全不同的规则适用:“在量子物理学中,我们必须提出一种解决这个问题的全新方法,”TU Wien原子与亚原子物理研究所的JörgSchmiedmayer教授说。“由于非常根本的原因,由许多粒子组成的大量子系统的状态永远无法被完美地测量。除此之外,粒子不能被看作是独立的物体,我们必须考虑到它们是量子力学纠缠的。 “。

已经尝试证明量子系统中“庞加莱复发”的效果,但是直到现在这只能用非常少量的粒子实现,其状态尽可能精确地测量。这非常复杂,系统返回其原始状态所需的时间随着粒子数量的增加而急剧增加。然而,TU Wien的JörgSchmiedmayers团队选择了一种不同的方法:“我们对系统的完整内部状态并不感兴趣,无论如何都无法衡量,”该出版物的第一作者Bernhard Rauer说。“相反,我们想问:我们可以观察哪些数量,它们告诉我们整个系统有什么有趣的东西?这些集体数量有时会恢复到它们的初始值吗?”

该团队研究了由数千个原子组成的超冷气体的行为,这些原子通过芯片上的电磁场保持在原位。“有几种不同的量描述了这种量子气体的特征 - 例如气体中的相干长度和空间中不同点之间的相关函数。这些参数告诉我们,粒子与量子力学效应的联系有多紧密,”塞巴斯蒂安·厄恩,负责该项目所需的理论计算。“我们的日常直觉并不习惯于处理这些数量,但对于量子系统来说,它们至关重要。”

发现的复发 - 集体数量

通过测量这样的数量,这些数量不是指单个粒子,而是整个系统的特征,确实可以观察到长期寻求的量子复发。不仅如此:“通过我们的原子芯片,我们甚至可以影响系统返回某个特定状态所需的时间,”JörgSchmiedmayer说。“通过测量这种复发,我们了解了很多关于原子的集体动力学 - 例如关于气体中声音的速度或者密度波的散射现象。”

无论量子系统是否显示复发,这个老问题最终都可以得到回答:是的,他们确实这样做了 - 但重复的概念必须稍加重新定义。而不是试图绘制出系统的完整内部量子态,无论如何都无法测量,集中于可以在量子实验中测量的量更有意义。可以观察到这些量偏离其初始值 - 并最终返回其初始状态。