科學家終於證明量子係統也存在“回歸”效應

據國外媒體報道，物理學中有這樣（yàng）一種驚人的現象：如果對（duì）一個複雜係（xì）統放任不管，該係統總能以（yǐ）近乎完美的精確度回歸初（chū）始狀態。例如，容器中的氣體分子雖然會四處運動，但在一（yī）定時間之後，總能（néng）回（huí）到原處，和（hé）開始時幾乎一模（mó）一樣。該理論名為“龐加萊回歸定理”，是現代混沌理論的基礎。數十年來，科學家一直在研究如何將該理論（lùn）應（yīng）用於（yú）量子物理。而維也納大學的研究人員近日成功在一套多粒（lì）子量子係統中（zhōng）證實了一種“龐加（jiā）萊回歸”現象。研究（jiū）結（jié）果已在（zài）《科學》期刊上發表（biǎo）。

圖為用於控製超低溫原（yuán）子雲的原（yuán）子芯片

舊題重審

19世紀末，法國科學家（jiā）亨利·龐加萊（Henri Poincaré）曾對無法進行精（jīng）確分析的係統展開研究（jiū）。例如包含眾多行星和小行星的太（tài）陽係（xì），或者不（bú）斷相撞的氣體分子等。結果（guǒ）他吃驚地發現，隻要某（mǒu）種狀態在物理上可能存在，這些係統總能在某（mǒu）一時刻達（dá）到這些狀態，或至少十分接近這些狀態。隻（zhī）要我們等得夠（gòu）久，所有行星總（zǒng）能（néng）碰巧排（pái）成一條直線，容器（qì）中（zhōng）的氣體分子（zǐ）也總能形成有趣的排列規律，或者回歸實驗的初始狀態。

量（liàng）子係統也存在類似理論，但規則全然不同。“針對量子物（wù）理，我們必須提出一種全（quán）新的解決方法。”維也納大（dà）學原（yuán）子與亞原子物理研究所的約格·施密德梅爾教授（Professor J?rg Schmiedmayer）表示，“由於一些基礎原因，由眾多粒子構成的大型量子係統的狀（zhuàng）態永遠無法得到（dào）精確測（cè）量。不僅如（rú）此，我（wǒ）們還不能將這些粒子視（shì）作各自獨立的物體，而要將量子糾纏考慮在內。”

科學家曾屢次嚐試（shì）在量子係統中演示“龐加萊回歸”效應。但到目前為止，隻有（yǒu）當粒子數量很少時才能取得成功，因為唯有如此才能對其狀態進行精確測（cè）量。這一過程極為複雜，且隨著粒子數量增加，係統回歸初始狀態所需的時間也會大大延長（zhǎng）。不過，施密德梅爾的團隊采用了另（lìng）一種策略：“我（wǒ）們對係統內部的整體狀態不感興趣，反正不可能（néng）進行測量。”論文（wén）的第一作者伯恩納德·勞爾（Bernhard Rauer）指出，“相反（fǎn），我們想問的是：哪些（xiē）物理量是我們能夠觀察、並且能幫助我們了解係統（tǒng）的整體狀態的？這些物理量是否會（huì）在某一（yī）時刻回（huí）歸初始值？”

該（gāi）團隊研究（jiū）了一種包（bāo）含（hán）數千個原子的超低溫氣體，用芯片上的電磁（cí）場使其固定不（bú）動。“有（yǒu）幾種物理量可以描述該量子氣體的特（tè）征，比如氣體的（de）相幹長度（dù）、以及空間（jiān）中（zhōng）不同位置（zhì）之間的相關函數等（děng）。借助這些（xiē）參數，我（wǒ）們便可得知這些粒子在量子力學效應下相互聯結的緊密程度。”負責（zé）該項（xiàng）目理論計算的塞巴斯蒂安·厄尼（Sebastian Erne）解釋道，“我們（men）不能用直覺處理這些整體性（xìng）物理量，但對量子（zǐ）係統而言，這是不可或缺的。”

整體性物理量（liàng）存在回歸效應

這（zhè）些物理量描述的並不是單個粒（lì）子，而是係統（tǒng）整體。通過測量這些物理量，研究人員終於（yú）觀測到了望眼欲穿的回歸現象。不僅如此，“借助（zhù）原子芯片，我（wǒ）們還能影響係統回歸到某一特定狀態的時間（jiān）。”施密德梅爾表示，“通過測量此類回歸效應，我們得以充分了解原子的整體動態，如（rú）聲音在這（zhè）些氣體中的（de）傳播速度和密度（dù）波的散射現象等。”

量子係統是否存在回歸效應？這個問題由來已久，如今終於有了肯定回答。但“回歸（guī）”的概念定義或許要稍作（zuò）修改。既然我們無（wú）法（fǎ）測量係統內部的完整（zhěng）量子狀態，不妨將注意力放在（zài）能夠通過量子實驗進行測量的物理量上。這些物理量能夠為我們所觀察，既能（néng）偏離（lí）初（chū）始值，最終還能（néng）回歸初始狀態。