從混亂到有序，量子世界也有速度上限？

導讀：劍橋大學的一項研究發現，無論量子系統內部如何劇烈地相互作用，建立秩序的速度最終都會觸及一個普適的上限。

秩序如何從混沌之中自發涌現？這在自然界中并不罕見：當溫度降低到冰點以下時，空氣中混亂的水分子會凝結成漂亮的雪花；材料內部原本雜亂無章的磁矩也能在特定溫度下整齊排列，讓材料出現鐵磁性。而在微觀的量子世界里，這種秩序的建立有一個更精準的術語，即量子相干性。這就像是億萬個原本具有不同能量和運動方向的雜亂原子，突然間具有了相同的能量和動量，步伐瞬間統一，形成了一個宏觀的整體。

長期以來，物理學家憑直覺認為，系統內部粒子間的相互作用越強，彼此“溝通”越快，建立秩序的效率也應該越高。

然而，劍橋大學近日發表在《自然》的一項研究推翻了這一假設。研究人員發現，量子秩序的建立存在一個根本性的速度上限。要讓成千上萬個粒子統一步伐，粒子間必須要相互“溝通”。遠處的粒子需要接收到近處粒子的狀態信息，才能調整自己的步伐。而這項研究的發現意味著，無論系統內部如何劇烈地相互作用，建立秩序的速度最終都會觸及一個普適的上限，它鎖死了信息傳遞的極限，也揭示了量子世界某種深層的制約機制。

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物質“第五態”之謎

玻色—愛因斯坦凝聚態是繼氣、液、固以及等離子態之后物質的第五態，最早在處于極低溫度下的冷原子中發現。當一團原子氣體被冷卻至絕對零度時，成千上萬的原子會坍縮到同一個量子態上。此時，所有的原子行為一致、彼此間不可區分，表現得像一個巨大的超級原子。這種物態擁有完美的長程相干性，也就是出現了秩序。

圖1：隨著溫度降低，“碗”狀勢阱中逐漸形成BEC。（來源：https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.02.003）

過去的幾十年里，科學家們已經很擅長制造BEC，但對于BEC具體的形成過程的，我們知之甚少。特別是，當一個處于劇烈動蕩、遠離平衡態的量子氣體，在試圖演化成BEC時，這中間發生了什么？這是一個典型的非平衡態動力學問題，也是現代物理學中最困難的領域之一。

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盒子中的BEC如何自發平衡？

精確測量BEC的形成過程，聽起來像個簡單的任務，畢竟我們都能輕松制造出BEC了。但在現實中，實驗物理學家面臨一個巨大的障礙：不均勻性。

傳統的超冷原子實驗，通常是用磁場或光場制造一個碗狀的“諧振勢阱”來捕獲原子。原子在這個“碗”里，中間部分堆得很密集，邊緣又很稀疏。這種密度的差異，會導致形成BEC的轉變不是整體發生的，而是像多米諾骨牌一樣從中心向邊緣擴散。這種空間分布不均帶來的差異會掩蓋原子隨時間演變的信息，記住，我們要測量的是原子從混亂到形成秩序這個發生在一瞬間的動態過程。

劍橋大學的Zoran Hadzibabic教授團隊一直嘗試解決這一難題。早在2013年，該團隊就研究出一種光學盒形勢阱。與傳統的“碗”狀勢阱不同，這個用激光構建的盒形勢阱能讓原子極其均勻地鋪在平坦的底部。這一技術突破，相當于給了物理學家一張白紙，第一次可以在完全均勻的背景下，捕捉相干性傳播的純粹信號。

2025年11月12日，該團隊在《自然》雜志發表論文，就BEC狀態的制備展示了一個極其枯燥卻又十分有趣的實驗。這個實驗就像不斷地把一瓶果粒橙搖混再靜置觀察果粒重新沉淀的過程。首先，他們在箱體中利用鉀-39原子制備出一團完美的BEC。接著，利用磁場猛烈地“搖晃”這團原子氣，故意把它推到一個遠離平衡的混亂狀態。最后，他們利用一種被稱為飛行時間成像的方法來觀察這團混亂的原子云是如何自我修復、重新變得有序的。

按照經典直覺，如果增加原子間的相互作用強度，就相當于增加了粒子間交換信息的帶寬，理應加速粒子恢復有序的速度。然而，實驗數據呈現出令人驚訝的結果：在演化的初期，不同的初始條件確實導致了不同的行為。但隨著時間推移，無論研究人員如何增強原子間的相互作用，所有的數據最終都收斂到了同一條直線上，系統進入了一個普適標度區。這意味著，“秩序”的傳播速度被鎖定在一個固定值上：v = 3.4 ?/m，只與約化普朗克常數?和原子質量m有關。這個普適規律簡潔得令人難以置信，它與溫度、密度及相互作用強度等均無關！

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量子世界限速的起源

為什么原子間作用力再強，也無法突破這個普適的速度限制？

研究人員認為，這揭示了量子流體動力學的某種拓撲本質。

當量子氣體從混亂走向有序時，不僅僅是能量的耗散過程，還需要消除被稱為“量子渦旋”的拓撲缺陷。可以想象一團纏在一起的耳機線。要把它理順，不能僅僅依靠蠻力拉扯，必須依據繩結的拓撲結構，一個個地解開它們。在量子氣體中，這些“量子渦旋”形成了一種復雜的湍流狀態。系統的演化速度，最終受限于渦旋相互湮滅和重排的速率。而控制這個速率的，正是量子力學中最底層的環流單位?/m。

通常，我們認為?只是一個描述微觀粒子行為的極小數值。然而在這里，它竟也能掌管成千上萬原子組成的宏觀流體的命運。當系統處于這種極端狀態時，關于系統的細節已經不再重要。系統的演化被簡化到了最基本的層面，量子渦旋的耗散速度不再由復雜的剪切力決定，而是被普朗克常數嚴格鎖定。就像c是宇宙中光速傳播的極限一樣，?在這里也成了量子流體的速度極限。

你可能好奇，微觀量子世界的速度限制對我們會有什么影響呢？這項研究首次確認了量子相干性的傳播存在一個普適的速度上限，而與系統內部的相互作用強度無關。這意味著，在未來的量子計算機設計中，信息的處理速度存在理論天花板，我們無法單純通過增強粒子間的互動來無限加速，必須在這個由普朗克常數設定的“最高時速”內運行。

而將視野拉遠，正如科學家所言，我們的宇宙本質上也是一個巨大的量子系統，這種在實驗室里捕捉到的普適規律，很可能也主宰了早期宇宙從大爆炸的混沌熱湯中冷卻、建立星系結構的宏大過程。

相對應的，若宇宙大爆炸后的冷卻速度沒有上限，是一瞬間完成的話，那也就沒有時間來形成星球或者生命，星球的引力坍縮需要時間，生命的演化也需要時間。多么神奇的宇宙，正是因為存在這些物理定律上的限制，才最終孕育了滿天的星河和生命的奇跡。

作者簡介：

趙金瑜，《賽先生》科學寫作小組成員，中國科學院物理研究所博士，現為北京高壓科學研究中心博士后。

參考資料：（上下滑動可瀏覽）

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/science.269.5221.198

[2]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.110.200406

[3]https://physics.aps.org/articles/v6/s72

[4]https://www.nature.com/articles/s41586-025-09735-z

來源：賽先生

編輯：LYang

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