在超冷原子气体的新实验中，我们对于所有相互作用的量子系统在能量突然输入后的演化过程有了更清晰的认识。

2023年5月17日，《自然》杂志发表的一篇论文介绍了一项针对超冷原子一维气体的新实验，揭示了由于能量大量输入导致体系失去平衡后，由多粒子组成的量子系统随时间变化所呈现的普遍性。宾夕法尼亚州立大学的一支物理学家团队展示了这些气体的即时反应，以这种方式迫使失去平衡的“多体”量子系统呈现出共同特征，进而“演变”。

“过去一个世纪在物理学领域取得的许多重大进展涉及到对具有多粒子的量子系统行为的研究，”宾夕法尼亚州立大学的杰出物理学教授、研究团队的一位领导者大卫·韦斯表示，“尽管多体现象有着令人惊叹的多样性，比如超导、超流和磁性，但发现它们在接近平衡点的行为通常足够相似，以至于它们可以被归类为一小组通用类别。相比之下，远离平衡点的系统行为往往只有少数几种统一的描述方法。”

魏斯解释说，这些量子多体系统是由粒子（如原子）组成的集合体，这些粒子可以自由地相对运动。只有当它们的密度和温度达到一定（根据不同背景情况而异）的组合时，量子力学，即描述原子或亚原子尺度下自然属性的基本理论，才能描述它们的动力学行为。

当重离子在接近光速的速度下相撞时，粒子加速器中经常会产生剧烈非平衡态系统。这些碰撞会产生由亚原子粒子“夸克”和“胶子”组成的等离子体，它在碰撞早期就形成，并且可以被描述为流体力学理论。类似于用来描述气流或其他流动流体的经典理论，早于等离子体达到局部热平衡。但是在流体力学理论能够应用之前的这极短的时间内会发生什么呢？

“在使用流体力学之前会发生一个物理过程，被称为‘流体力学化’，”宾夕法尼亚州州立大学的物理学教授马科斯·里戈尔说道，他也是研究团队的另一位领导者。“许多理论已经被发展出来，试图理解在这些碰撞中的流体力学化，但情况非常复杂，并且在粒子加速器实验中实际观察它的发生是不可能的。使用冷原子，我们可以观察到流体力学化的过程。”

宾州州立大学的研究人员充分利用了一维气体的两个特殊特征，通过激光束囚禁并冷却至接近绝对零度，以便在系统失去平衡之后，但还未应用流体力学时，理解系统的演化过程。第一个特征是实验上的，实验中的相互作用可以在能量输入后的任何时刻突然关闭，因此系统的演化可以直接观察和测量。具体而言，在能量突变后，研究人员观察了一维动量分布的时间演化。

魏斯说：“由激光构成的陷阱中的超低温原子允许进行如此精细的控制和测量，以至于它们确实能够启迪关于多体物理的许多问题。令人惊奇的是，那些性质与相对论重离子碰撞的基本物理相似，后者是实验室中曾经进行的最高能量碰撞之一，而这些性质同时也在我们实验室中进行的麻烦得多的能量较低碰撞中体现出来。”

第二个特征是理论性的。一个相互复杂地相互作用的粒子集合可以被描述为一个相互作用较为简单的“准粒子”集合。与大多数系统不同的是，一维气体的准粒子描述在数学上是精确的。它提供了一个非常清晰的描述，解释了为什么在系统脱离平衡后能源会迅速重新分布。

“熟知的物理定律，包括守恒定律，在这些一维气体中暗示着在初始演化完成之后，流体动力学的描述将是准确的，”Rigol说道。“实验表明，在达到局部平衡之前，这个过程就已经发生。因此，实验和理论共同构建了一个水力学模型的典型示例。由于水力学作用发生得如此迅速，对于任何加入了大量能量的多体量子系统，可以应用基本的准粒子理解。”

除了Weiss和Rigol之外，宾夕法尼亚州立大学的研究团队还包括Yuan Le、Yicheng Zhang和Sarang Gopalakrishnan。该研究获得了美国国家科学基金会的资助。计算工作是在宾夕法尼亚州立大学计算和数据科学研究所完成的。