MIT科學(xué)家制造了量子龍卷風(fēng)

這就是量子力學(xué)嗎？看不懂但大受震撼。

如果你稍微了解流體力學(xué)，就會(huì )知道這個(gè)領(lǐng)域是以「難」而聞名的，其中的有些原理似是而非，不得要領(lǐng)，解釋起來(lái)也是五花八門(mén)，研究這個(gè)領(lǐng)域的絕大多數人可能都難以獲得顯著(zhù)的成果。

物理學(xué)家維爾納 · 海森堡曾說(shuō)過(guò)：「當我遇到上帝的時(shí)候，我會(huì )問(wèn)他兩個(gè)問(wèn)題：為什么會(huì )有相對論？為什么會(huì )有湍流？我想上帝可能只能回答第一個(gè)問(wèn)題?！?/p>

40 年前，物理學(xué)家理查德 · 費曼又說(shuō)，「如果你覺(jué)得你懂量子力學(xué)，那你就不懂量子力學(xué)?！惯@是一門(mén)挑戰直覺(jué)的學(xué)科，有時(shí)甚至會(huì )讓研究它的物理學(xué)家也目瞪口呆。

那么如果在量子力學(xué)領(lǐng)域里研究流體會(huì )是什么結果？

有一群麻省理工學(xué)院的研究人員的確這么做了。

在量子力學(xué)中有一個(gè)名為「玻色—愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)」的概念，可由量子氣體在失重條件下產(chǎn)生?？茖W(xué)家希望借助這種零重力下的超低溫量子氣體研制原子干涉儀等高精密測量?jì)x器，以用于測量地球的重力場(chǎng)。

最近，MIT 的一份相關(guān)研究登上了《自然》雜志。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04170-2

在這項研究中，作者首先把「玻色—愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)」拉伸成細長(cháng)條狀，然后旋轉這根細條直至細條破裂。這些操作得到的結果是一系列子渦旋，每一個(gè)子渦旋都是母渦旋的迷你版。

這些旋轉的量子云（量子龍卷風(fēng)）讓人回想起我們所熟悉的經(jīng)典世界中的現象，比如開(kāi)爾文 - 亥姆霍茲云，它看起來(lái)像周期性重復的鋸齒狀卡通波浪。

然而，制造量子云渦旋的條件非?？量?，需要很多的實(shí)驗室設備，還要減少大氣風(fēng)切變。MIT 物理學(xué)教授 Martin Zwierlein 說(shuō)：「我們從玻色 - 愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)開(kāi)始，100 萬(wàn)個(gè)鈉原子共享一個(gè)相同的量子力學(xué)波函數?！?/p>

將氣體限制在由激光束組成的原子阱中的相同機制允許研究人員擠壓它，然后像螺旋槳一樣旋轉它。他說(shuō)：「我們知道我們推動(dòng)的方向，我們看到氣體變長(cháng)了。如果我以同樣的方式旋轉一滴水，同樣的事情也會(huì )發(fā)生——這滴水在旋轉的時(shí)候會(huì )拉長(cháng)?！?/p>

他們實(shí)際上看到的是鈉原子在激光照射下發(fā)出熒光時(shí)投射的陰影，這種技術(shù)被稱(chēng)為吸收成像（ absorption imaging）。

在特定的旋轉速度下，量子氣體分裂成小云團?！杆鼤?huì )產(chǎn)生一些有趣的波動(dòng)——我們稱(chēng)之為薄片（flaky），然后變得更加極端。我們看到這種氣體是如何在一串液滴中「結晶」的——最后一張照片中有八個(gè)液滴。

既然能夠得到二維晶體，那為什么要滿(mǎn)足于一維晶體呢事實(shí)上，研究人員說(shuō)他們已經(jīng)在尚未發(fā)表的研究中做到了這一點(diǎn)。

之前已經(jīng)有理論預測到旋轉的量子氣體會(huì )分裂成小塊——也就是說(shuō)，人們可以從早期的理論工作中推斷出這種情況。

但 Zwierlein 說(shuō)，他們之前并沒(méi)有注意到這篇論文。在其中一幅圖像的放大部分，晶體形態(tài)清晰可見(jiàn)。在量子流體中可以看到兩處連接，或者說(shuō)橋，而不是我們在水中看到過(guò)的一個(gè)大洞，量子流體有一整串量子化的漩渦。在圖像的放大部分，MIT 的研究人員發(fā)現了許多這樣的小孔狀圖案，它們以規則重復的方式鏈接在一起。

「當云朵在天空互相交匯時(shí)也會(huì )發(fā)生類(lèi)似的現象，」Zwierlein 說(shuō)道?！冈揪鶆虻脑茣?huì )開(kāi)始以開(kāi)爾文 - 亥姆霍茲模式形成連續的手指?！?/p>

看到這里，你可能會(huì )說(shuō)：又是一個(gè)花哨的量子力學(xué)研究，但沒(méi)什么實(shí)際意義吧？答案是否定的，整個(gè)宇宙都是基于量子的。MIT 的這項研究獲得了美國國防研究高級計劃局 DARPA 的資助，該機構希望使用一圈量子龍卷風(fēng)作為極其靈敏的旋轉傳感器。

如果你駕駛一艘潛艇在水底巡游，由于水隔絕了通信能力，你可能就需要使用光纖陀螺儀來(lái)檢測輕微的旋轉運動(dòng)。光在光纖中以不同方式傳播，如果整個(gè)物體都在旋轉，你應該能得到一個(gè)干涉圖案。但如果你使用的是原子而不是光，你應該能夠更好地完成這項工作，因為原子要慢得多。

這種量子龍卷風(fēng)傳感器還可以測量地球自轉的微小變化，或許我們可以通過(guò)它來(lái)了解地球核心是如何影響事物的。

MIT 科學(xué)家已經(jīng)打開(kāi)了新世界的大門(mén)，但還沒(méi)有完全打開(kāi)。目前可以確認的是那些小龍卷風(fēng)仍然是玻色 - 愛(ài)因斯坦凝聚體，因為即使是最小的龍卷風(fēng)每個(gè)仍然有大約 10 個(gè)原子。如果每個(gè)渦旋只有一個(gè)原子，就會(huì )產(chǎn)生量子霍爾效應，這是一種不同的物質(zhì)狀態(tài)。假如每個(gè)漩渦有兩個(gè)原子，你會(huì )得到一種「分數量子霍爾」流體，每個(gè)原子「做自己的事情，不共享波函數，」Zwierlein 說(shuō)。

量子霍爾效應現在被用來(lái)定義電阻最小單位：普朗克常數 h 除以電子電荷 e 的平方 (h/e2) 的比率——這個(gè)數字稱(chēng)為馮 · 克里青常數——這與基礎物理學(xué)一樣基本。

但是這種效應仍然沒(méi)有被人們完全理解。Zwierlein 認為，大多數研究都集中在電子的行為上，MIT 的研究人員正試圖使用鈉原子作為替代品。

因此，盡管它們還沒(méi)有完全到達最小的尺度，但在到達極限的過(guò)程中仍有很大的發(fā)現空間。正如費曼所說(shuō)的那樣（There's Plenty of Room at the Bottom）。

參考內容：

https://spectrum.ieee.org/quantum-tornadoes-mit

https://phys.org/news/2022-01-physicists-ultracold-atoms-crystal-quantum.html