好神奇!玻色-愛因斯坦凝聚態中,有兩種聲速!

2021-01-18 天文物理


玻色-愛因斯坦凝聚態是物質的一種特殊狀態，其玻色-愛因斯坦凝聚體中有兩種聲速。除了正常的聲音傳播外，還有第二種聲音（第二聲），這是一種量子現象。漢堡大學路德維希·馬埃小組的科學家們為這一現象提出了一種新理論。當你跳進湖裡把頭埋在水裡時，一切聽起來都不一樣了。除了我們的耳朵在空氣和水中的生理反應不同，這是由於不同的聲音在水中傳播。

聲音在水中傳播得更快，在25°C的舒適夏日裡，以每秒1493米的速度傳播。其他液體也有不同的聲速，比如酒精的聲速是1144米/秒，氦的聲速是180米/秒。這些液體被稱為經典液體，是物質一種主要狀態的例子。但是如果我們把氦再冷卻幾度，一些戲劇性的事情發生了，它變成了量子液體。

量子力學的這種宏觀表現是一種超流體，一種沒有摩擦的液體。那麼，如果你不幸地決定把頭伸進這種液體裡，你會聽到什麼呢？令人驚訝的是，你會聽到同樣的聲音兩次。除了液體的正常聲音外，還有第二種聲音的現象。

這種現象源於液體的量子性質。如果有人在超流氦中對你說話，你會先聽到第一種聲音，然後在它以第二種聲音出現時，你會有第二次機會聽到它，儘管聲音很弱。對於超流氦，第二種聲音比第一種聲音慢很多，在1到2開爾文之間，是25米/秒對250米/秒。雖然傳統的第二聲理論已經成功地應用於超流氦，但超老原子玻色-愛因斯坦凝聚體的出現帶來了新挑戰。

漢堡大學路德維希·馬西領導的一組科學家提出了一種新理論，可以捕捉這些量子液體中的第二種聲音，該理論現在發表在《物理評論A》上。對於超流體氦，第二聲比第一聲慢，但科學家訝地發現，這未必是真的，第二聲可以更快。需要一種新的理論方法來捕捉這一點，現代問題需要現代的解決方案。主要作者Ilias Seifie描述了概念上的進展：推廣了費曼路徑積分來擴展超流體理論。

理察•費曼(Richard Feynman)提出的路徑積分(path integral)將量子力學表述為對軌跡求和，這是一個絕妙的構想。新研究修改了這些軌跡的樣子，在路徑積分中，它們包含了量子漲落的信息。想像一個從a延伸到B的泳池面，這是一個對進入費曼路徑積分的軌跡可視化。橫截面或多或少是圓的，沿長度方向的直徑恆定。

但是在新路徑積分中，橫截面的形狀可以改變，它可以是橢圓的形狀，想像一下將池面擠壓在一起，物理學家恰當地將這些量子力學狀態稱為壓縮態。這種方法廣泛適用，它可以應用於任何基於路徑積分的方法。事實上，量子物理和經典物理交界面上的許多現象都可以用這種方法更好地理解。使用這個新框架，會從本質上獲得更多的見解。

博科園｜研究/來自：漢堡大學

參考期刊《物理評論A》

DOI: 10.1103/PhysRevA.100.013602

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