物理學界驚人現象：「一切都會回到原來的樣子」 量子系統也不例外

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圖為用於控制超低溫原子云的原子晶元

物理學中有這樣一種驚人的現象：如果對一個複雜系統放任不管，該系統總能以近乎完美的精確度回歸初始狀態。例如，容器中的氣體分子雖然會四處運動，但在一定時間之後，總能回到原處，和開始時幾乎一模一樣。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應用於量子物理。而維也納大學的研究人員近日成功在一套多粒子量子系統中證實了一種「龐加萊回歸」現象。研究結果已在《科學》期刊上發表。

舊題重審

19世紀末，法國科學家亨利·龐加萊（Henri Poincaré）曾對無法進行精確分析的系統展開研究。例如包含眾多行星和小行星的太陽系，或者不斷相撞的氣體分子等。結果他吃驚地發現，只要某種狀態在物理上可能存在，這些系統總能在某一時刻達到這些狀態，或至少十分接近這些狀態。只要我們等得夠久，所有行星總能碰巧排成一條直線，容器中的氣體分子也總能形成有趣的排列規律，或者回歸實驗的初始狀態。

量子系統也存在類似理論，但規則全然不同。「針對量子物理，我們必須提出一種全新的解決方法。」維也納大學原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系統的狀態永遠無法得到精確測量。不僅如此，我們還不能將這些粒子視作各自獨立的物體，而要將量子糾纏考慮在內。」

科學家曾屢次嘗試在量子系統中演示「龐加萊回歸」效應。但到目前為止，只有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量。這一過程極為複雜，且隨著粒子數量增加，系統回歸初始狀態所需的時間也會大大延長。不過，施密德梅爾的團隊採用了另一種策略：「我們對系統內部的整體狀態不感興趣，反正不可能進行測量。」論文的第一作者伯恩納德·勞爾（Bernhard Rauer）指出，「相反，我們想問的是：哪些物理量是我們能夠觀察、並且能幫助我們了解系統的整體狀態的？這些物理量是否會在某一時刻回歸初始值？」

該團隊研究了一種包含數千個原子的超低溫氣體，用晶元上的電磁場使其固定不動。「有幾種物理量可以描述該量子氣體的特徵，比如氣體的相干長度、以及空間中不同位置之間的相關函數等。藉助這些參數，我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。」負責該項目理論計算的塞巴斯蒂安·厄尼（Sebastian Erne）解釋道，「我們不能用直覺處理這些整體性物理量，但對量子系統而言，這是不可或缺的。」

整體性物理量存在回歸效應

這些物理量描述的並不是單個粒子，而是系統整體。通過測量這些物理量，研究人員終於觀測到瞭望眼欲穿的回歸現象。不僅如此，「藉助原子晶元，我們還能影響系統回歸到某一特定狀態的時間。」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，如聲音在這些氣體中的傳播速度和密度波的散射現象等。」

量子系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」的概念定義或許要稍作修改。既然我們無法測量系統內部的完整量子狀態，不妨將注意力放在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，既能偏離初始值，最終還能回歸初始狀態。

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