使用超冷原子的一维气体进行的新实验揭示了由许多粒子组成的量子系统在大量能量流入使系统失去平衡后如何随时间变化的普遍性。 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http://www.196nk.cn系统所共有的特征。 一篇描述实验的论文于 2023 年 5 月 17 日发表在《自然》杂志上。

用超冷原子气体进行的新实验揭示了所有相互作用的量子系统在突然的能量涌入后是如何演变的。

“上个世纪物理学的许多重大进展都与具有许多粒子的量子系统的行为有关，”宾夕法尼亚州立大学杰出物理学教授、研究团队的领导者之一戴维韦斯（David Weiss）说。 “尽管存在各种各样的‘多体’现象，如超导性、超流性和磁性，但人们发现它们在接近平衡状态时的行为通常足够相似，以至于可以将它们分类为一小组通用类别。 相比之下，远离平衡的系统的行为几乎没有产生这样的统一描述。”

超冷原子气体的新实验揭示了量子系统动力学中的普遍物理学。 宾夕法尼亚州立大学研究生袁乐是描述实验的论文的第一作者，她站在她用来创造和研究接近绝对零的一维气体的设备旁边。 图片来源：大卫韦斯，宾夕法尼亚州立大学

韦斯解释说，这些量子多体系统是粒子的集合，例如原子，它们可以相对于彼此自由移动。 当它们是足够稠密和足够冷的组合时（这可能会根据环境而变化），需要量子力学iNTzoZUv（在原子或亚原子尺度上描述自然属性的基本理论）来描述它们的动力学。

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。 碰撞产生等离子体——由亚原子粒子“夸克”和“胶子”组成——在碰撞的早期就出现，可以用流体动力学理论来描述——类似于196世界之最在等离子体达到局部热平衡之前用于描述气流或其他移动流体的经典理论。 但在流体动力学理论得以应用之前的极短时间内会发生什么呢？

“在196世界之最使用流体动力学之前发生的物理过程被称为‘水动力化’，”宾夕法尼亚州立大学物理学教授、该研究小组的另一位领导者马科斯里戈尔（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，我们可以观察氢动力化过程中发生的情况。”

宾夕法尼亚州立大学的研究人员利用一维气体的两个特殊特征，即通过激光捕获并冷却到接近绝对零的气体，以了解系统在失去平衡后但在流体动力学能够实现之前的演化。 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刻突然关闭，因此可以直接观察和测量系统的演化。 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化。

韦斯说：“激光制成的陷阱中的超冷原子可以进行如此精确的控制和测量，196世界之最从而真正为多体物理学带来启示。令人惊奇的是，表征相对论性重离子碰撞（实验室中发生的一些最高能碰撞）的相同基本物理特性，也出现在我们实验室中发生的能量低得多的碰撞中。”

第二个特征是理论上的。 以复杂方式相互作用的粒子集合可以被描述为相互相互作用要简单得多的“准粒子”集合。 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。 它可以非常清楚地描述为什么能量在失去平衡后会在系统中快速重新分配。

“这些一维气体中已知的物理定律，包括守恒定律，意味着一旦这种初始演化发生，流体动力学描述将是准确的，”里戈尔说。 “实验表明，这种情况发生在达到局部平衡之前。 因此，实验和理论一起提供了水动力化的模型实例。 由于水动力化发生得如此之快，因此对准粒子的基本理解可以应用于任何添加了大量能量的多体量子系统。”