頭條楓林網導讀
近日，奧地利維也納技術大學的研究人員成功地 在多粒子量子系統中， 演示了“ 龐加萊回歸 ” 。
背景
物理學歷史上出現過許多意義非凡的成果，例如：相對論、量子力學等等。 然而，“ 龐加萊回歸定理”（ “Poincaré Recurrence
Theorem” ）也是其中一個， 它是現代 混沌 理論的基礎。 該定理的大致描述如下：
一個不受外力作用的有限閉合的孤立的物質運動系統，必將作週期循環式的內在運動，這叫始態復現定理，也稱龐加萊回歸論。
簡單說， 一個孤立而有限的系統在長期演化過程中，將回到一個非常接近初始狀態的狀態 。 這就是有限系統的輪迴。 舉例來說，在一個容器中，氣體粒子混沌地旋轉著，過了一段時間之後，將返回它們的初始位置。
（圖片來源： 維也納技術大學 ）
干涉圖樣中也可以發現 “ 龐加萊回歸” ，經過一段時間，它將歸回初始的平行圖案。
（圖片來源： 維也納技術大學 ）
近幾十年來，科學家們一直都在研究如何將這個理論應用於量子力學世界。
創新
近日，奧地利維也納技術大學的研究人員成功地在多粒子量子系統中，演示了“龐加萊回歸”（ Poincaré recurrence ）。 研究成果發表於《科學 （ Science ） 》雜誌。
（圖片來源： 維也納技術大學 ）
（圖片來源： 維也納技術大學 ）
技術
19世紀末，法國科學家亨利·龐加萊研究了無法以完美精度全面分析的系統，例如由許多行星和小行星組成的太陽系，或者是保持相互碰撞的氣體粒子。 他的研究成果令人驚喜：每個 物理上 可能的狀態都會在某一時刻被系統佔有（至少是非常地接近）。 如果，我們等得足夠久，在某個時刻，所有的行星將會形成一條直線，如同巧合一樣。 盒子中的氣體粒子將會形成有趣的圖案，或者返回實驗開始時它們所處的狀態。
類似的理論被證明也可用於量子系統。 然而，量子系統具有完全不同的規則。 奧地利維也納技術大學原子與亞原子物理研究所教授 Jörg Schmiedmayer 表示：“在量子物理中，我們必須以一種全新的方法，解決這一問題。由於非常根本性的原因，由許多粒子組成的大型量子系統的狀態，永遠無法被完美地測量。除此之 外，粒子無法被視為獨立的物體，我們必須考慮它們在量子力學意義上的糾纏。”
科學家們一直致力於在量子系統中演示 “ 龐加萊回歸 ” ，但是迄今為止，只在非常少量的粒子上進行了演示，這些粒子的狀態可以被盡可能精準地測量。 這一過程極度複雜，而且將系統帶回到其初始狀態的時間，隨著粒子數量的增加而顯著增加。 奧地利維也納技術大學 Jörg Schmiedmayers 團隊選擇了一種全新方案。 論文第一作者 Bernhard Rauer 表示：“我們對於系統完整的內部狀態（無法進行測量）沒太多興趣。我們反而想要問，哪些量是我們可以觀察的？這些量將告訴我們一些有關整體系統的有意思的東西。此外， 這些群集的量是否會在某個時間返回它們的初始值？”
團隊研究了由成千上萬個原子組成的超冷氣體的行為。 通過電磁場， 這些原子 被安置在 芯片上 適當的位置。 這個項目理論計算的負責人 Sebastian Erne 表示：“有幾個不同的量描述了這些量子氣體的特性，例如氣體中的相干距離，以及空間中不同點之間的相關函數。這些參數告訴我們，粒子是如何通過量子力學效應緊密聯繫的 。我們每天的直覺並不會用於處理這些量，但是對於量子力學系統來說，它們非常關鍵。”
價值
通過測量這些量（它們不是關於單個粒子，而是關於整個系統的特性）， 確實有可能觀察到科學家們長期以來尋找的量子回歸 。 Jörg Schmiedmayer 表示：“通過我們的原子芯片，我們甚至可以對於系統返回一個特殊狀態的時間施加影響。通過測量這種回歸，我們學習到了許多關於原子 群集動力學 的知識，例如，關於氣體中的聲速，或者 密度波 的散射。 ”
關於這個老問題：量子系統是否會回歸？ 最終的答案是肯定的。 但是，回歸的概念必須稍稍地重新定義。 我們並不是嘗試搞清楚系統完整的內部量子狀態，因為它是無法測量的。 相反，更有意義的是專注於量子實驗中可以測量的量。 這些量在離開它們的初始值之後，可以被測量到，並最終返回它們的初始狀態。
關鍵字
參考資料
【1】https://www.tuwien.ac.at/en/news/news_detail/article/125636/
【2】 Bernhard Rauer, Sebastian Erne, Thomas Schweigler, Federica Cataldini, Mohammadamin Tajik, Jörg Schmiedmayer. Recurrences in an isolated quantum many-body system . Science , 2018; eaan7938 DOI: 10.1126/science.aan7938
了解更多前沿技術文章，請點擊“閱讀原文”。 諮詢和交流，請聯繫微信：JohnZh1984