科学家们证明了关键物理定理在量子世界的有效性

2023-02-27 05:45:41 来源：cnBeta

波恩大学的物理学家们通过实验证明，统计物理学中的一个关键定理适用于玻色-爱因斯坦凝聚体。这一发现使得对这些量子"超级粒子"的特定属性的测量成为可能，为推导出原本难以观察到的系统特征提供了一种手段。这项研究的结果已经发表在《物理评论快报》杂志上。

玻色-爱因斯坦凝聚物是阿尔伯特-爱因斯坦和印度物理学家萨蒂恩德拉-纳特-博斯在20世纪20年代预测的一种物质状态。在这种状态下，一组玻色子，也就是具有整数自旋的粒子，坍缩成相同的量子状态，表现为单一实体。这导致了一系列独特的属性，包括零粘度和零阻力的流动，这在其他物质状态中是观察不到的。

假设在你面前有一个容器，里面装着一种未知的液体。你的目标是找出其中的粒子（原子或分子）因其热能而来回随机移动的程度。在没有一台显微镜的情况下，你可以用它来观察这些被称为"布朗运动"的位置波动。

【资料图】

事实证明根本不需要，可以简单地把一个物体绑在绳子上，然后把它拉过液体。要施加的力越大，液体就越有粘性。而它的粘性越大，液体中的粒子平均改变其位置的程度就越小。因此，在特定温度下的粘度可以用来预测波动的程度。

光子（绿色）--可以被染料分子（红色）"吞噬"，随后再次"吐出"。这种可能性越大，光子数量的波动就越大。资料来源：J. Schmitt/波恩大学

描述这一基本关系的物理规律是波动-消散定理。用简单的话说，它指出。你需要从外部扰动一个系统的力量越大，如果你不去管它，它自己随机（即统计学上）波动的程度也就越小。波恩大学应用物理研究所的朱利安-施密特博士解释说："我们现在首次证实了该定理对一组特殊量子系统的有效性：玻色-爱因斯坦凝聚体。"

玻色-爱因斯坦凝聚物是一种奇特的物质形式，由于量子力学效应而产生。在某些条件下，粒子，无论是原子、分子，甚至是光子（构成光的粒子），都变得无法区分。数以百计或数千计的粒子合并成一个"超级粒子"--玻色-爱因斯坦凝结物（BEC）。

朱利安-施密特博士，--波恩大学应用物理研究所的初级研究小组组长

在有限温度下的液体中，分子会随机地来回移动。液体的温度越高，这些热波动就越明显。玻色-爱因斯坦凝结物也会出现波动。凝结粒子的数量会发生变化。而这种波动也随着温度的升高而增加。

"如果波动-消散定理适用于BECs，其粒子数的波动越大，它们对外部扰动的反应应该越敏感，"施密特强调说。"不幸的是，通常研究的超冷原子气体中的BECs的数量波动太小，无法测试这种关系。"

然而，马丁·魏茨教授的研究小组（施密特是该小组的初级研究组长）正在研究由光子组成的玻色-爱因斯坦凝聚体。而对于这个系统来说，这个限制并不适用。"我们使BEC中的光子与染料分子相互作用，"这位物理学家解释说，他最近获得了欧盟为年轻科学家提供的高额奖金，即所谓的ERC启动资金。当光子与染料分子相互作用时，经常会发生一个分子"吞噬"一个光子。染料因此变得能量激发。它随后可以通过"吐出"一个光子来释放这种激发能量。

"由于与染料分子的接触，我们的BEC中的光子数量显示出很大的统计波动，"物理学家说。此外，研究人员可以精确控制这种变化的强度。在实验中，光子被困于两面镜子之间，在那里以乒乓球游戏的方式来回反射。镜子之间的距离可以改变。它变得越大，光子的能量就越低。由于低能量的光子不太可能激发染料分子（所以它们被吞噬的频率较低），现在凝聚的光粒子的数量波动要小得多。

波恩的物理学家们现在研究了波动的程度与BEC的"反应"有什么关系。如果波动-消散定理成立，这种敏感性应该随着波动的减少而减少。施密特强调说："事实上，我们能够在我们的实验中证实这种效应。"他也是波恩大学跨学科研究领域（TRA）"物质"和卓越集群"ML4Q - 量子计算的物质和光"的成员。

与液体一样，现在有可能从更容易测量的宏观反应参数中推断出玻色-爱因斯坦凝结物的微观特性。施密特说："这为新的应用开辟了一条道路，例如在复杂的光子系统中精确测定温度。"

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