這就是量子力學(xué)嗎？看不懂但大受震撼。

如果你稍微了解流體力學(xué)，就會(huì)知道這個(gè)領(lǐng)域是以「難」而聞名的，其中的有些原理似是而非，不得要領(lǐng)，解釋起來也是五花八門，研究這個(gè)領(lǐng)域的絕大多數(shù)人可能都難以獲得顯著的成果。

物理學(xué)家維爾納 · 海森堡曾說過：「當(dāng)我遇到上帝的時(shí)候，我會(huì)問他兩個(gè)問題：為什么會(huì)有相對(duì)論？為什么會(huì)有湍流？我想上帝可能只能回答第一個(gè)問題?！?/p>

40 年前，物理學(xué)家理查德 · 費(fèi)曼又說，「如果你覺得你懂量子力學(xué)，那你就不懂量子力學(xué)?！惯@是一門挑戰(zhàn)直覺的學(xué)科，有時(shí)甚至?xí)屟芯克奈锢韺W(xué)家也目瞪口呆。

那么如果在量子力學(xué)領(lǐng)域里研究流體會(huì)是什么結(jié)果？

有一群麻省理工學(xué)院的研究人員的確這么做了。

在量子力學(xué)中有一個(gè)名為「玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)」的概念，可由量子氣體在失重條件下產(chǎn)生?？茖W(xué)家希望借助這種零重力下的超低溫量子氣體研制原子干涉儀等高精密測量儀器，以用于測量地球的重力場。

最近，MIT 的一份相關(guān)研究登上了《自然》雜志。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-04170-2

在這項(xiàng)研究中，作者首先把「玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)」拉伸成細(xì)長條狀，然后旋轉(zhuǎn)這根細(xì)條直至細(xì)條破裂。這些操作得到的結(jié)果是一系列子渦旋，每一個(gè)子渦旋都是母渦旋的迷你版。

這些旋轉(zhuǎn)的量子云（量子龍卷風(fēng)）讓人回想起我們所熟悉的經(jīng)典世界中的現(xiàn)象，比如開爾文 - 亥姆霍茲云，它看起來像周期性重復(fù)的鋸齒狀卡通波浪。

然而，制造量子云渦旋的條件非常苛刻，需要很多的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，還要減少大氣風(fēng)切變。MIT 物理學(xué)教授 Martin Zwierlein 說：「我們從玻色 - 愛因斯坦凝聚態(tài)開始，100 萬個(gè)鈉原子共享一個(gè)相同的量子力學(xué)波函數(shù)?！?/p>

將氣體限制在由激光束組成的原子阱中的相同機(jī)制允許研究人員擠壓它，然后像螺旋槳一樣旋轉(zhuǎn)它。他說：「我們知道我們推動(dòng)的方向，我們看到氣體變長了。如果我以同樣的方式旋轉(zhuǎn)一滴水，同樣的事情也會(huì)發(fā)生——這滴水在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)拉長?！?/p>

他們實(shí)際上看到的是鈉原子在激光照射下發(fā)出熒光時(shí)投射的陰影，這種技術(shù)被稱為吸收成像（ absorption imaging）。

在特定的旋轉(zhuǎn)速度下，量子氣體分裂成小云團(tuán)?！杆鼤?huì)產(chǎn)生一些有趣的波動(dòng)——我們稱之為薄片（flaky），然后變得更加極端。我們看到這種氣體是如何在一串液滴中「結(jié)晶」的——最后一張照片中有八個(gè)液滴。

既然能夠得到二維晶體，那為什么要滿足于一維晶體呢事實(shí)上，研究人員說他們已經(jīng)在尚未發(fā)表的研究中做到了這一點(diǎn)。

之前已經(jīng)有理論預(yù)測到旋轉(zhuǎn)的量子氣體會(huì)分裂成小塊——也就是說，人們可以從早期的理論工作中推斷出這種情況。

但 Zwierlein 說，他們之前并沒有注意到這篇論文。在其中一幅圖像的放大部分，晶體形態(tài)清晰可見。在量子流體中可以看到兩處連接，或者說橋，而不是我們?cè)谒锌吹竭^的一個(gè)大洞，量子流體有一整串量子化的漩渦。在圖像的放大部分，MIT 的研究人員發(fā)現(xiàn)了許多這樣的小孔狀圖案，它們以規(guī)則重復(fù)的方式鏈接在一起。

「當(dāng)云朵在天空互相交匯時(shí)也會(huì)發(fā)生類似的現(xiàn)象，」Zwierlein 說道?！冈揪鶆虻脑茣?huì)開始以開爾文 - 亥姆霍茲模式形成連續(xù)的手指?！?/p>

看到這里，你可能會(huì)說：又是一個(gè)花哨的量子力學(xué)研究，但沒什么實(shí)際意義吧？答案是否定的，整個(gè)宇宙都是基于量子的。MIT 的這項(xiàng)研究獲得了美國國防研究高級(jí)計(jì)劃局 DARPA 的資助，該機(jī)構(gòu)希望使用一圈量子龍卷風(fēng)作為極其靈敏的旋轉(zhuǎn)傳感器。

如果你駕駛一艘潛艇在水底巡游，由于水隔絕了通信能力，你可能就需要使用光纖陀螺儀來檢測輕微的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。光在光纖中以不同方式傳播，如果整個(gè)物體都在旋轉(zhuǎn)，你應(yīng)該能得到一個(gè)干涉圖案。但如果你使用的是原子而不是光，你應(yīng)該能夠更好地完成這項(xiàng)工作，因?yàn)樵右枚唷?/p>

這種量子龍卷風(fēng)傳感器還可以測量地球自轉(zhuǎn)的微小變化，或許我們可以通過它來了解地球核心是如何影響事物的。

MIT 科學(xué)家已經(jīng)打開了新世界的大門，但還沒有完全打開。目前可以確認(rèn)的是那些小龍卷風(fēng)仍然是玻色 - 愛因斯坦凝聚體，因?yàn)榧词故亲钚〉凝埦盹L(fēng)每個(gè)仍然有大約 10 個(gè)原子。如果每個(gè)渦旋只有一個(gè)原子，就會(huì)產(chǎn)生量子霍爾效應(yīng)，這是一種不同的物質(zhì)狀態(tài)。假如每個(gè)漩渦有兩個(gè)原子，你會(huì)得到一種「分?jǐn)?shù)量子霍爾」流體，每個(gè)原子「做自己的事情，不共享波函數(shù)，」Zwierlein 說。

量子霍爾效應(yīng)現(xiàn)在被用來定義電阻最小單位：普朗克常數(shù) h 除以電子電荷 e 的平方 (h/e2) 的比率——這個(gè)數(shù)字稱為馮 · 克里青常數(shù)——這與基礎(chǔ)物理學(xué)一樣基本。

但是這種效應(yīng)仍然沒有被人們完全理解。Zwierlein 認(rèn)為，大多數(shù)研究都集中在電子的行為上，MIT 的研究人員正試圖使用鈉原子作為替代品。

因此，盡管它們還沒有完全到達(dá)最小的尺度，但在到達(dá)極限的過程中仍有很大的發(fā)現(xiàn)空間。正如費(fèi)曼所說的那樣（There's Plenty of Room at the Bottom）。

參考內(nèi)容：

https://spectrum.ieee.org/quantum-tornadoes-mit

https://phys.org/news/2022-01-physicists-ultracold-atoms-crystal-quantum.html