波动流体动力学理论能描述混沌多体系统？

尽管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，但有些仍可以用简单的理论来描述。这是否也适用于量子物理学的世界？

慕尼黑大学物理系的莫妮卡·艾德尔斯伯格教授和伊曼纽尔·布洛赫教授所领导的一个研究小组对量子多体系统的这个问题进行了研究，并发现有迹象表明，它们可以通过带有随机噪声的简单扩散方程从宏观上进行描述。这项研究最近在《自然物理学》杂志上发表。

“如果你想描述水的流动行为，你无需从水分子的物理学入手。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，”伊曼纽尔·布洛赫研究小组的博士生、这项新研究的主要作者朱利安·维南德解释说。

这种方法称作流体动力学。然而，当我们观察水中小颗粒的运动时，我们看到它们不仅随水流移动，而且还会做出被称为布朗运动的小的不规则运动。这些波动是粒子与单个水分子随机碰撞所产生的直接结果。

“因为这些不规则运动是随机的，所以我们可以把它们描述成白噪声，流体动力学也就变成了波动流体动力学（FHD），”维南德说道。“值得注意的是，这个 FHD 理论告诉咱们，在某些情况下，一个系统的整个行为或许会由一个单一的量来决定：扩散常数——尽管在微观层面上物理过程极为复杂和混乱。”这极大地简化了这类系统的宏观描述，并且避免了对于粒子微观相互作用的描述。

人们普遍猜测混沌系统通常能够用 FHD 来描述。但对于混沌量子系统，这是否以及在多大程度上成立，在很大程度上仍然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存在根本差异，其具有像‘不确定性’和‘纠缠’这样违背日常直觉的现象特征。同时，量子系统更难计算，因此可能特别受益于 FHD 描述。

研究团队通过在显微镜下对混沌多体量子系统的行为进行研究来追寻这个问题。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，然后让它自由演化。

“我们成像系统的高分辨率使我们不仅能够测量晶格位点中粒子的平均密度，还能测量它们的涨落，”维南德说。“因此，我们能够测量涨落和密度相关性如何随时间增长，并得出结论，流体动力学描述在定性和定量方面都与我们的系统相符。”研究人员认为，这是一个重要的迹象，表明尽管混沌量子系统在微观上很复杂，但可以将其简单地描述为类似于布朗运动的宏观扩散过程。