德国科学家成功模拟原子量子状态

德国马普学会量子光学研究所的科学家完成一项实验，将原子排列在光学栅格点阵中，这些原子通过“精确”的扰动偏离平衡状态，通过观测其动力学行为，获得这些处于光学栅格中相互间有相互作用的单个原子的动力学数据，首次实现固体中相互关联原子系统的动力学行为模拟研究。 

据科学家们，可将光学栅格想象为由激光形成的装鸡蛋的箱子，它是利用激光形成的一种特殊构造，其中有按照一定周期有规律出现的“凹穴”，在每个“凹穴”中可以“放置”一个原子，尤如在鸡蛋箱的每个“凹穴”中放置一枚鸡蛋。一旦原子处于这样的结构中，其行为将与在自然状态下一致，可以对其进行精确的测量，而这种测量在自然状态的固体物质中是无法进行的。通过精确测定，可以研究复杂的量子系统如何进入平衡态，温度是如何出现，典型的量子系统如何随时间转变为强相互作用的多粒子系统，系统如何在原子间相互作用下形成平衡状态，好比可以观察到原子如何“入睡”的过程。 

科学家们认为，该项研究结果对物理学中古老而又具有重大意义的基础性问题给出了一些重要的新认识和解答。比如说，可以解释为什么偏离平衡状态的系统可以恢复其平衡状态，物质的物态如温度等是如何产生的。原子是构成物质的基础单元，其大小只有千万分之一毫米，远小于可见光的波长，肉眼不能观测到，在固体中这些微小粒子大多数呈有序排列状态，气体中则呈无序状态。不论原子处于什么聚集状态下，人们在现实中一般仅能见到由大量原子集合构成的宏观物质。因为在原子尺度上的自然规律是“量子律”，在量子世界起作用的规律与我们日常世界完全不同，从人们的直觉来看是无法解释并且是佯谬的。例如在量子世界，要指出原子的精确位置，就是没有意义的事情，再比如宏观世界非常自然的“温度”概念，在微观世界如何解释就是一件并非简单的事情，物理基本方程中对温度并没有给出定义。因此，人们认为研究单个原子的行为是很难想象甚至是荒唐的，这一首创的实验将使一情况根本改变。    

同时，科学家认为，此项实验成果可以为研究密集强相互作用多粒子体系提供新手段，形成“量子模拟”的新方法，比传统的模拟计算法要功能强大很多。目前研究交互作用多粒子体系，通常通过超级计算机进行模拟计算，运行时间长达多个星期，并且已经达到其能力的极限。该项研究在理论分析和超级计算机模拟计算方面得到德国慕尼黑大学和柏林自由大学科学家的支持。