使用超冷原子的一维气体的新实验揭示了由许多粒子组成的量子系统如何随着大量能量流入使系统失去平衡而随时间变化的普遍性。宾夕法尼亚州立大学的一组物理学家表明，这些气体会立即做出反应，“进化”出所有以这种方式失去平衡的“多体”量子系统共有的特征。一篇描述这些实验的论文发表在2023年5月17日的《自然》杂志上。

“上个世纪物理学的许多重大进步​​都涉及具有许多粒子的量子系统的行为，”宾夕法尼亚州立大学物理学特聘教授兼研究团队负责人之一戴维韦斯说。“尽管有各种各样的‘多体’现象，如超导性、超流性和磁性，但人们发现它们在平衡附近的行为通常非常相似，以至于可以将它们分类为一小组通用类别。相比之下，远离平衡的系统的行为很少有这样的统一描述。”

Weiss解释说，这些量子多体系统是粒子的集合体，例如原子，它们可以相对于彼此自由移动。当它们是致密和足够冷的某种组合时(这可能会因环境而异)，就需要量子力学——描述原子或亚原子尺度自然特性的基本理论——来描述它们的动力学。

当成对的重离子以接近光速的速度碰撞时，通常会在粒子加速器中产生戏剧性的非平衡系统。碰撞产生等离子体——由亚原子粒子“夸克”和“胶子”组成——在碰撞早期出现，可以用流体动力学理论来描述——类似于用于描述气流或其他运动流体的经典理论——远在等离子体达到局部热平衡之前。但是在流体动力学理论可以使用之前的惊人短时间内发生了什么?

“在可以使用流体动力学之前发生的物理过程被称为‘流体动力学’，”宾夕法尼亚州立大学物理学教授兼研究团队的另一位负责人MarcosRigol说。“已经开发了许多理论来试图理解这些碰撞中的流体动力学，但情况非常复杂，不可能像在粒子加速器实验中那样实际观察到它。使用冷原子，我们可以观察到发生了什么流体动力学。”

宾夕法尼亚州立大学的研究人员利用一维气体的两个特殊特征，它们被激光捕获并冷却到接近绝对零，以了解系统在失去平衡后但在流体动力学可以之前的演化。被应用。第一个功能是实验性的。实验中的相互作用可以在能量流入后的任何时候突然关闭，因此可以直接观察和测量系统的演变。具体来说，他们观察了能量突然熄灭后一维动量分布的时间演变。

“由激光制成的陷阱中的超冷原子可以进行如此精确的控制和测量，它们可以真正阐明多体物理学，”Weiss说。“令人惊奇的是，表征相对论重离子碰撞的相同基本物理学，实验室中有史以来能量最高的一些碰撞，也出现在我们实验室中能量较低的碰撞中。”

第二个特点是理论上的。一组以复杂方式相互作用的粒子可以描述为一组“准粒子”，它们的相互作用要简单得多。与大多数系统不同，一维气体的准粒子描述在数学上是精确的。它可以非常清楚地描述为什么能量在系统失去平衡后会迅速重新分配。

“这些一维气体中已知的物理定律，包括守恒定律，意味着一旦这种初始演化结束，流体动力学描述将是准确的，”Rigol说。“实验表明，这发生在达到局部平衡之前。因此，实验和理论共同提供了流体动力学的模型示例。由于流体动力学发生得如此之快，因此对准粒子的基本理解可以应用于任何多体量子添加了大量能量的系统。”

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标签：粒子系统流体动力学