首次发现60年前预言的怪异量子回旋镖

　　物理学家第一次证实了一种奇怪的量子现象，在这种现象中，微小的粒子在被轻推错位时，会立即弹回它们原来的位置。这种称为量子回旋镖效应的奇怪行为已被预测了 60 多年。现在，2 月 23 日发表的一项新实验表明，效果是真实的：当无序系统中的粒子被踢出它们的位置时，它们会短暂地飞走。但是，大多数时候，他们不会降落在其他地方，而是会立即回到起始位置。

　　这种奇怪的效应无法用经典的确定性物理学来解释。相反，这是量子力学奇异规则的结果。当原子不仅以粒子的形式存在，而且同时以波的形式存在时，这些波会相互干扰，在某些地方相加，在另一些地方相抵消，从而导致各种我们不希望看到的奇怪行为。

　　美国理论物理学家菲利普·安德森于 1958 年首次为量子回旋镖效应的预测奠定了基础。在量子世界中，物体同时表现为离散粒子和波，这些波的幅度在任何给定的空间区域内与在该位置找到粒子的概率有关。

　　安德森意识到，无序或随机性（如材料结构中的随机缺陷）可以使粒子的概率波在除空间的一个微小区域之外的任何地方自行抵消。植根于原地，无法移动、改变状态或与周围环境共享能量，粒子变得局部化。

　　安德森得出结论，无序系统的电子会局部化，这会将金属从导电体转变为绝缘体。（在导体中，带电粒子可以在材料内自由移动，但固定在绝缘体中。）

　　但是，一个粒子因突然的震动而被迫离开其冻结位置会发生什么？2019 年，物理学家提出了一个答案：量子干涉效应会迫使大多数脱离的局部粒子仓促返回其起始位置。

　　为了首次通过实验证明这种效应，研究人员将由 100,000 个锂原子组成的气体悬浮在磁阱中，然后使用激光将其冷却到绝对零度的几纳米级以内，将原子转化为物质相称为玻色-爱因斯坦凝聚态。

　　通过将气体冷却到接近绝对零（负 459.67 华氏度，或负 273.15 摄氏度），科学家们使原子失去能量并进入相同的能量状态。因为研究人员只能通过观察能级来区分气体云中其他相同的原子，所以这种均衡具有深远的影响：曾经不同的振动、摇晃、碰撞的原子云构成了一种较热的气体，然后从量子力学的观点，完全一致。

　　这为一些真正奇怪的量子效应打开了大门。量子行为的一个关键规则，海森堡的不确定性原理，指出不可能同时以绝对准确度确定粒子的位置和动量。然而，既然玻色-爱因斯坦凝聚原子不再运动，它们的所有动量都是已知的。这导致原子的位置变得如此不确定，以至于它们可能占据的位置变得比原子本身之间的空间更大。

　　因此，模糊玻色-爱因斯坦凝聚球中的重叠原子不再是离散的原子，而是一个巨大的粒子。这使一些玻色-爱因斯坦凝聚体具有超流性，允许它们的粒子在没有任何摩擦的情况下流动。事实上，如果你能搅拌一个装满超流体玻色-爱因斯坦凝聚体的杯子，它就永远不会停止旋转。

　　所有研究人员的 100,000 个原子作为一个原子，使他们能够轻松地跟踪赋予系统的动量。在对原子凝聚物进行一系列 25 次激光震动后，研究人员观察到最初的震动增加了系统中原子的动量，这表明它们已经短暂地偏离了它们的位置。但增加进一步的震动并没有继续增加这种势头。相反，它使平均动量回落到零。原子已经飞回了它们的起始位置。

　　这种行为在经典系统中永远不会发生；在这种情况下，一个不断颠簸的摆锤或转子会不断地从每次颠簸中吸收能量。

　　科学家们还证实了量子回旋镖不再起作用的条件——当一种叫做时间反转对称性的东西被打破时。

　　时间反转对称性是指作用于物体的物理定律在时间上向前和向后时相同。为了使量子回旋镖效应发挥作用，必须严格遵守时间反演对称性，这意味着粒子需要被定期定时的激光冲击脉冲击中。在团队将常规激光踢模式更改为不规则模式后，时间对称性被打破，启用该效果的量子力学规则被破坏，回旋镖行为消失。

　　既然研究人员已经证实这种效应是真实的，他们想进一步测试它，看看是否有可能同时发生多个相互作用的量子回旋镖效应。

　　“如果我们可以调整原子之间的相互作用，那么在做这个实验的同时，它就会成为对许多身体效应的研究，这是我们非常兴奋的事情。”Sajjad 告诉 Live Science。“我们还想研究更高维度的效果，用多个频率踢它，并引入第二或第三时间维度。”