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打通量子与经典边界,科学家在超冷原子系统里,制造出“量子雨”

最近,科学家在超冷原子系统里,制造出了“量子雨”。实打实拍到了钾41和铷87的量子液滴,在接近绝对零度的环境中,像窗户上

最近,科学家在超冷原子系统里,制造出了“量子雨”。实打实拍到了钾41和铷87的量子液滴,在接近绝对零度的环境中,像窗户上的雨滴一样断裂、分裂,重演了熟悉的液体破碎现象。

只不过,这一次,发生在完全受量子力学支配的极限状态下。

这一幕,打通了量子与经典的边界。传统流体力学早就知道,水柱变成水滴是因为表面张力导致的不稳定性,叫做普朗特-瑞利不稳定性。但在量子世界,没有传统表面张力,只有量子涨落和微妙的原子间相互作用。

科学家用钾41和铷87的玻色-玻色混合气体,冷却到仅比绝对零度高一百纳开尔文。此时,原子不再像台球一样碰撞,而是像波一样重叠,形成自我束缚的“量子液滴”。

液滴能稳定存在,是因为两种力量平衡了:一方面,原子间有吸引;另一方面,量子涨落——尤其是Lee-Huang-Yang修正项——提供了微弱但关键的排斥,防止液滴塌缩。这是量子流体独有的自稳定机制。

为了让液滴显示出破碎行为,科学家不是简单放手观察,而是用一条由激光形成的狭窄光波导限制其运动方向。液滴在波导中被拉长,当长度超过临界比率时,不是慢慢散开,而是突然断裂成一串更小的量子液滴。

这一临界条件,与经典液体破碎时的临界比率惊人一致。但这里,驱动机制不是表面张力,而是量子版本的毛细不稳定。

不是偶然现象。每次重复实验,只要液滴初始长度一定,分裂出来的小液滴数量也几乎一样。科学家用格罗斯-皮塔耶夫斯基方程模拟过全过程,理论和实验数据几乎无缝对应。

不仅如此,这是历史上第一次在人造的原子气体系统中,观察到类似毛细破碎的现象。此前,这类现象只在超流氦这种复杂系统里出现过。

这一发现,不只是增加了一个新奇现象那么简单。它直接触碰了一个深层问题:为什么宏观世界遵循经典规律,而微观世界是量子规律?中间的桥梁在哪里?

通常,量子系统的行为高度不稳定、充满概率性。但这里,量子液滴在特定条件下,竟然集体展现出类似经典流体的稳定破碎模式。这是罕见的量子-经典对应案例。

更重要的是,这种量子液滴自稳定、对外界扰动高度敏感、又可控生成和操控,非常适合做量子传感器。未来,量子液滴阵列可能用来检测极其微弱的环境变化,甚至可以作为量子模拟器的基本单元,模拟其他难以计算的复杂量子系统。

此外,这种对量子多体行为的新理解,也会反过来帮助研究超导、超流,以及早期宇宙状态的演化机制。