研究表明波动流体动力学理论可以描述混沌的多体系统

虽然由许多相互作用的小粒子组成的系统可能非常复杂和混乱，但有些系统仍然可以用简单的理论来描述。这也适用于量子物理的世界吗?

由慕尼黑大学物理学院的MonikaAidelsburger教授和ImmanuelBloch教授领导的研究小组对这一有关量子多体系统的问题进行了研究，发现有迹象表明，它们可以通过简单的带有随机噪声的扩散方程在宏观上进行描述。这项研究最近发表在《自然物理学》杂志上。

“如果你想描述水的流动行为，你不需要从水分子的物理特性开始。相反，你可以制定流动方程，并在纯粹的宏观基础上分析问题，”ImmanuelBloch研究团队的博士候选人、新研究的主要作者JulianWienand解释道。

这种方法被称为流体动力学。然而，当我们观察水中小颗粒的运动时，我们发现它们不仅随水流流动，而且还会进行微小的不规则运动，即布朗运动。这些波动是颗粒与单个水分子随机碰撞的直接结果。

“由于这些不稳定的运动是随机的，我们可以将它们描述为白噪声，流体动力学则变成波动流体动力学(FHD)，”维南德说。“值得注意的是，FHD理论告诉我们，在某些情况下，系统的整个行为可能由一个量决定：扩散常数——即使微观层面的物理非常复杂和混乱。”这大大简化了此类系统的宏观描述，并消除了描述粒子微观相互作用的需要。

这也适用于量子系统吗?

人们猜测，混沌系统通常可以用FHD来描述。但这是否也适用于混沌量子系统，以及在多大程度上也适用于混沌量子系统，在很大程度上仍是一个悬而未决的问题。决定量子粒子如何相互作用的物理定律与支配经典粒子的物理定律有着根本的不同，其特点是“不确定性”和“纠缠”等现象，这些现象违背了日常直觉。同时，量子系统更难计算，因此，FHD描述尤其有益。

研究团队通过在显微镜下研究混沌多体量子系统的行为来探究这一问题。为了观察动态，该团队在光学晶格中准备了一个处于非平衡初始状态的超冷铯原子量子系统，然后让其自由演化。

“我们的成像系统分辨率高，不仅能测量晶格点中粒子的平均密度，还能测量它们的波动，”维南德说。“因此，我们能够测量波动和密度相关性随时间的增长情况，并得出结论，FHD既能定性又能定量地描述我们的系统。”研究人员认为这是一个重要的迹象，表明混沌量子系统尽管具有微观复杂性，但可以简单地描述为宏观扩散过程——类似于布朗运动。