科学家终于证明量子系统也存在“回归”效应

据国外媒体报道，物理学中有这样一种惊人的现象：如果对一个复杂系统放任不管，该系统总能以近乎完美的精确度回归初始状态。例如，容器中的气体分子虽然会四处运动，但在一定时间之后，总能回到原处，和开始时几乎一模一样。该理论名为“庞加莱回归定理”，是现代混沌理论的基础。数十年来，科学家一直在研究如何将该理论应用于量子物理。而维也纳大学的研究人员近日成功在一套多粒子量子系统中证实了一种“庞加莱回归”现象。研究结果已在《科学》期刊上发表。

图为用于控制超低温原子云的原子芯片

旧题重审

19世纪末，法国科学家亨利·庞加莱（Henri Poincaré）曾对无法进行精确分析的系统展开研究。例如包含众多行星和小行星的太阳系，或者不断相撞的气体分子等。结果他吃惊地发现，只要某种状态在物理上可能存在，这些系统总能在某一时刻达到这些状态，或至少十分接近这些状态。只要我们等得够久，所有行星总能碰巧排成一条直线，容器中的气体分子也总能形成有趣的排列规律，或者回归实验的初始状态。

量子系统也存在类似理论，但规则全然不同。“针对量子物理，我们必须提出一种全新的解决方法。”维也纳大学原子与亚原子物理研究所的约格·施密德梅尔教授（Professor J?rg Schmiedmayer）表示，“由于一些基础原因，由众多粒子构成的大型量子系统的状态永远无法得到精确测量。不仅如此，我们还不能将这些粒子视作各自独立的物体，而要将量子纠缠考虑在内。”

科学家曾屡次尝试在量子系统中演示“庞加莱回归”效应。但到目前为止，只有当粒子数量很少时才能取得成功，因为唯有如此才能对其状态进行精确测量。这一过程极为复杂，且随着粒子数量增加，系统回归初始状态所需的时间也会大大延长。不过，施密德梅尔的团队采用了另一种策略：“我们对系统内部的整体状态不感兴趣，反正不可能进行测量。”论文的第一作者伯恩纳德·劳尔（Bernhard Rauer）指出，“相反，我们想问的是：哪些物理量是我们能够观察、并且能帮助我们了解系统的整体状态的？这些物理量是否会在某一时刻回归初始值？”

该团队研究了一种包含数千个原子的超低温气体，用芯片上的电磁场使其固定不动。“有几种物理量可以描述该量子气体的特征，比如气体的相干长度、以及空间中不同位置之间的相关函数等。借助这些参数，我们便可得知这些粒子在量子力学效应下相互联结的紧密程度。”负责该项目理论计算的塞巴斯蒂安·厄尼（Sebastian Erne）解释道，“我们不能用直觉处理这些整体性物理量，但对量子系统而言，这是不可或缺的。”

整体性物理量存在回归效应

这些物理量描述的并不是单个粒子，而是系统整体。通过测量这些物理量，研究人员终于观测到了望眼欲穿的回归现象。不仅如此，“借助原子芯片，我们还能影响系统回归到某一特定状态的时间。”施密德梅尔表示，“通过测量此类回归效应，我们得以充分了解原子的整体动态，如声音在这些气体中的传播速度和密度波的散射现象等。”

量子系统是否存在回归效应？这个问题由来已久，如今终于有了肯定回答。但“回归”的概念定义或许要稍作修改。既然我们无法测量系统内部的完整量子状态，不妨将注意力放在能够通过量子实验进行测量的物理量上。这些物理量能够为我们所观察，既能偏离初始值，最终还能回归初始状态。