1月5日發表於《自然》(Nature)期刊的一份研究說,麻省理工學院(MIT)的物理學家第一次直接觀測到大量超低溫原子構成的流體在高速旋轉狀態下產生的量子現象。

他們看到,一開始這些高速旋轉的原子雲變成一根細小的針狀結構。接著,針狀結構越來越細,經典物理效應越發受到抑制,直到超過某個臨界點後,完全由量子效應控制原子雲的行為。此時,細針逐漸變成了量子晶體結構,也就是一長串由一個個小型量子龍捲風串接在一起的結構。

研究者之一麻省理工學院物理學助理教授理查德·弗萊徹(Richard Fletcher)說:「晶體結構完全由(原子之間的)互動形成,表明它們已經從經典物理學世界進入了量子世界。」

合作研究者物理學教授托馬丁·茨維萊恩(Martin Zwierlein)說,旋轉原子雲的演化過程和地球的旋轉導致大尺度範圍天氣的演化現象類似。

他說:「科里奧利效應(Coriolis effect)解釋地球旋轉帶來的效應,這和勞侖茲力(Lorentz force)解釋帶電粒子在磁場內的效應類似。即使在經典物理學掌管的世界裏,這也會導致產生一些有趣的現象,比如包裹地球的雲層呈現好看的螺旋狀。現在,我們研究量子世界裏類似的效應。」

科里奧利效應指的是如飛機、風、導彈和洋流等物體,相對於地球表面沿直線運動時所產生的明顯偏轉。

研究人員使用激光控制住大約100萬個鈉原子,把它們冷卻到非常接近絕對零度的低溫狀態。再向這些原子施加一個電磁場,將其限制在一個空間範圍內,並快速旋轉。這些原子在電磁場內的旋轉狀態,就像很多彈珠在一個碗裏旋轉一樣,每秒可轉大約100圈。

研究組使用一個相機對著這些原子進行觀測,猶如一個孩子看著旋轉木馬上的中心。大約100毫秒後,研究人員看到這些原子變成一根細長的針狀,此時已經接近量子臨界點。

茨維萊恩說:「在經典流體裏,例如香煙的煙霧,會越變越薄,但是在量子世界裏,它將達到一個極限。我們看到它逼近極限,內心非常激動。我們知道即將看到的是量子世界的現象。」

這份新研究終於突破了這個極限,看到了這些原子在量子世界裏奇特的形態:細針先是開始擺動,看上去像一縷煙,接著變成如開塞鑽(corkscrew)那樣的螺旋形態,最後分散成為一串由好幾個旋轉的團狀物排列在一起的形態(見本文標題圖片)。這些團狀物就像一個個小小的龍捲風,其實是原子雲內旋轉的原子在相互作用力的影響下而產生的量子晶體結構。

茨維萊恩說,這個量子龍捲風現象與宏觀世界的「蝴蝶效應」有異曲同工之妙,即系統中一個微小的擾動,都可能演變成系統整體上的巨大變化。#

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