有人可能會感到奇怪，運用經典物理可以用來解釋奇怪的量子行為嗎？發表在最近的《物理評論研究》雜誌上的一篇研究論文表明，所進行的一項實驗的結果拓寬我們對量子世界的認知，同時為通往經典物理與量子物理學之間聯繫的誘人途徑提供了一個新的方向。
論文第一作者與主要作者曹剛，為加州大學聖塔芭芭拉分校創意學院學習的四年級華裔本科生，和他的導師、助理教授、戴維·韋爾德（David Weld）的原子物理小組的同事一起，操作光阱中的超冷鋰原子，這些原子被雷射以規則的晶格形式保持，並被能量脈衝「驅動」，卻在做出極為怪異的事情。
韋爾德說：「這有點奇怪。」 「原子會朝一個方向被泵注。有時它們會朝另一個方向被泵注，有時它們會裂開，使這些結構看起來又像DNA（脫氧核糖核酸）。」「當搖動量子系統時，會發生很多有趣的事情。」
韋爾德的實驗室創建了「人工固體」，即光和超冷原子的低維晶格，以模擬更密堆積的真實固體中的量子機械粒子的行為。當受到驅動力時。最近的實驗是一系列可追溯到1929年的最新實驗，當時物理學家、諾貝爾獎獲得者、費利克斯·布洛赫（Felix Bloch）首次預測，在周期性量子結構的範圍內，恆力作用下的量子粒子將振蕩。
韋爾德說：「它們實際上來回晃動，這是物質波動的結果。」雖然這些位置空間的布洛赫振蕩是在近一個世紀前預測的，但它們只是在相對較近的時間才直接觀察到；實際上，韋爾德小組是2018年第一個看到它們的人，採用的方法使這些通常快速無窮大的晃動變得又大又慢，並且易於觀察。
十年前，其他實驗通過對布洛赫振蕩系統施加額外的周期性力來增加其時間依賴性，並發現其活動更為劇烈，發現了在振蕩之上的振蕩，稱為超級布洛赫振蕩。在這項研究中，研究人員通過修改這些原子相互作用的空間，使系統又邁進了一步。
韋爾德說：「實際上，我們正在改變晶格。」通過改變雷射強度和外部磁力，不僅增加了時間依賴性，而且使晶格彎曲，從而產生了不均勻的力場。他補充說，他們的產生大而緩慢的振蕩的方法「使我們有機會了解當在不均勻的環境中使用布洛赫振蕩系統時會發生什麼。」
這是事情變得奇怪的時候，原子來回發射，有時散開，有時會響應以各種方式推動晶格的能量脈衝而產生圖案。韋爾德說：「如果我們努力做到這一點，我們可以跟蹤他們的進步。」 「但是很難理解為什麼他們做一件事而不是做另一件事。」
論文主要作者、曹剛的主意導致了一種通過經典物理破譯這種奇怪的量子行為的方法。曹說，「當我們一次研究所有動力學時，由於沒有內在的對稱性，只是一團糟，這使物理學難以解釋。」
為了得出對稱性，曹利用最初為觀察經典非線性動力學、稱為龐加萊截面而開發的數學技術，通過消除尺寸，在這種情況下為時間，來簡化這種看似混亂的行為。
曹說：「在我們的實驗中，時間間隔由我們如何定期修改晶格來設置。」 「當我們剔除所有「中間」時間並每隔一段時間觀察一次行為時，結構和美就以軌跡的形狀出現，因為我們適當地尊重了物理系統的對稱性。」僅在基於該時間間隔的時間段內觀察系統會產生類似這些原子複雜而周期性運動的定格運動。
韋爾德補充說：「曹所想到的是，這些路徑，即這些龐加萊軌道，準確地告訴了我們為什麼在某些驅動原子的機制中泵注原子，而在其他驅動原子的機制中分散並破壞波函數。」他說，研究人員從這裡可以採取的一個方向是，利用這種知識來設計量子系統，使其通過驅動具有新的行為，並應用於諸如拓撲量子計算等新興領域。
「但是，我們可以採取的另一個方向是，當我們開始像在這樣的驅動系統中增加相互作用之類的事情時，是否可以用以研究量子混沌的出現。」
研究人員評價說，這是一個不小的壯舉。幾十年來，物理學家一直在努力尋找經典物理學與量子物理學之間的聯繫。通過這樣一種常見的數學運算，可以解釋一個領域中似乎沒有相似之處的概念，例如經典混沌，量子力學中不存在這種語言。
韋爾德說：「您可能已經聽說過蝴蝶效應，一隻蝴蝶在加勒比海扇動翅膀會在世界各地引起颱風。」 「這實際上是經典混沌系統的一個特徵，它對初始條件有敏感的依賴性。這個特徵實際上很難在量子系統中重現，在量子系統中提出相同的解釋令人費解。因此，這項研究也許只是代表了很小的一部分前景。」
參考：Alec Cao et al. Transport controlled by Poincaré orbit topology in a driven inhomogeneous lattice gas, Physical Review Research (2020). DOI: 10.1103/PhysRevResearch.2.032032