迪娜·根基纳，联合量子研究所 JQI大学的研究人员发现了一种量子系统，它是有序和混沌的混合体
信用:geralt/Pixabay 通常情况下，“混乱”这个词会让人联想到缺乏秩序:忙碌的一天，青少年的卧室，税收季节
对混沌的物理理解也不远了
这是非常难以预测的事情，就像天气一样
混乱让一个小信号(蝴蝶翅膀的颤动)发展成一个大后果(一个横跨半个世界的台风)，这解释了为什么未来几天的天气预报可能不可靠
不断反弹的单个空气分子也是混乱的——几乎不可能确定任何单个分子在任何给定时刻可能在哪里
现在，你可能想知道为什么有人会关心单个空气分子的精确位置
但是你可能会关心一大堆分子共有的属性，比如它们的温度
也许是非直觉的，是分子的混乱性质让它们充满一个房间，达到一个单一的温度
个人的混乱最终导致集体秩序
能够用一个单一的数字(温度)来描述一堆以某种疯狂的、不可预测的方式来回跳动的粒子是非常方便的，但它并不总是发生
因此，JQI的一组理论物理学家开始理解这种描述何时适用
“这里的雄心勃勃的目标是理解混沌和大多数物理系统达到热平衡的普遍趋势是如何从基本物理定律中产生的，”JQI研究员维克多·加利茨基说，他也是马里兰大学(UMD)的物理学教授
作为实现这一宏伟目标的第一步，加里茨基和两名同事开始了解当许多粒子聚在一起时会发生什么，每个粒子都是混沌的
例如，在空气曲棍球比赛中，一个冰球的运动是混乱的，它不间断地从墙上反弹
但是当很多这样的球被放在桌子上时会发生什么呢？此外，如果pucks遵守量子物理的规则会发生什么？ 在最近发表在《物理评论快报》杂志上的一篇论文中，该团队研究了量子领域的空气曲棍球问题
他们发现这个问题的量子版本(pucks实际上是像原子或电子一样的量子粒子)既不是有序的，也不是混沌的，而是两者都有一点点，根据一种测量混沌的常见方法
他们的理论非常笼统，足以描述一系列物理环境，包括容器中的分子、量子空气曲棍球游戏，以及电子在无序金属中的反弹，比如笔记本电脑中的铜线
“我们一直认为这是一个在很久以前的教科书中就已经解决的问题，”JQI博士后、该论文的第一作者廖云翔说
“事实证明，这是一个比我们想象的更困难的问题，但结果也比我们想象的更有趣
" 这个问题一直没有解决的一个原因是，一旦量子力学出现，通常对混沌的定义就不再适用了
经典地说，蝴蝶效应——初始条件的微小变化导致直线上的剧烈变化——通常被用作一种定义
但是在量子力学中，初始或最终位置的概念并不十分有意义
不确定性原理认为量子粒子的位置和速度不能同时精确知道
因此，粒子的轨迹没有很好地定义，使得不可能跟踪不同的初始条件如何导致不同的结果
研究量子混沌的一个策略是把经典混沌的东西，比如一个冰球在空气曲棍球桌上弹跳，然后用量子力学的方法来处理它
毫无疑问，经典的混乱应该会过去
的确如此
但是当你放入一个以上的量子圆盘时，事情就变得不那么清楚了
经典的说法是，如果两个圆盘能够相互弹开，交换能量，它们最终都会达到一个单一的温度，暴露出潜在混沌的集体秩序
但是如果两个黑洞没有撞在一起，而是像幽灵一样相互穿越，它们的能量永远不会改变:热的会保持热，冷的会保持冷，它们永远不会达到同样的温度
由于pucks不相互作用，集体秩序不能从混乱中出现
该团队将这种幽灵空气曲棍球游戏带入了量子力学领域，期待着同样的行为——一个量子粒子的混沌，但当有多个量子粒子时，没有集体秩序
为了验证这种直觉，他们选择了最古老、使用最广泛(尽管不是最直观)的量子混沌测试之一
量子粒子不能只有任何能量，可用的能级是“量子化的”，这基本上意味着它们被限制在特定的值
早在20世纪70年代，物理学家发现，如果量子粒子以可预测的方式运行，它们的能级就完全相互独立——平均而言，可能的值不会聚集或分散
但是如果量子粒子是混沌的，能量水平似乎会相互避开，以不同的方式扩散开来
这种能级排斥现在经常被用作量子混沌的定义之一
由于他们的冰球没有相互作用，廖和她的合作者并不指望他们能就温度达成一致，这意味着他们看不到任何潜在的单冰球混乱的迹象
他们认为，能量水平根本不会相互关心
他们不仅发现了某些能级排斥的理论证据，这是量子混沌的标志，而且他们还发现有些能级倾向于聚集在一起，而不是排斥，这是一种他们无法完全解释的新现象
这个看似简单的问题既不是有序的，也不是混乱的，而是之前从未见过的两者的奇怪组合
该团队能够使用创新的数学方法发现这种混合
“在以前的数值研究中，研究人员只能包括20或30个粒子，”廖说
“但是使用我们的随机矩阵理论的数学方法，我们可以包括大约500个
这种方法也允许我们计算一个非常大的系统的分析行为
" 有了这个数学框架，研究人员带着浓厚的兴趣，现在正在扩展他们的计算，逐渐允许冰球一点一点地相互作用
“我们的初步结果表明，热化可能通过可逆性的自发破坏而发生——过去在数学上与未来截然不同，”加利茨基说
“我们看到，小扰动会呈指数级放大，并摧毁所有剩余的秩序特征
但这是另一个故事
"
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