量子物理中的统计方法（统计物理定理在量子世界中也有效）

测量光子玻色-爱因斯坦凝聚物耦合到染料微腔内储层的数波动和响应函数的实验方案。用光电倍增管（PMT）记录的部分腔体发射产生平均冷凝水群⟨n⟩;另一部分分散在光栅上，光谱过滤的冷凝水演变用条纹相机记录，得到G(2)（τ）和染料腔失谐Δ。来源：物理评论快报（2023 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.130.033602

波恩大学的物理学家已经通过实验证明，统计物理学的一个重要定理适用于所谓的“玻色-爱因斯坦凝聚态”。他们的结果现在使得测量量子“超级粒子”的某些特性成为可能，并推断出否则难以观察到的系统特征。该研究现已发表在《物理评论快报》上。

假设在你面前有一个装满未知液体的容器。您的目标是找出其中的粒子（原子或分子）由于其热能而随机来回移动的程度。但是，您没有显微镜可以可视化这些称为“布朗运动”的位置波动。

事实证明，您根本不需要它：您也可以简单地将物体绑在绳子上并将其拉过液体。您必须施加的力越大，您的液体就越粘稠。而且它越粘稠，液体中的颗粒平均改变位置就越少。因此，给定温度下的粘度可用于预测波动的程度。

描述这种基本关系的物理定律是波动-耗散定理。简单来说，它指出：你需要施加更大的力来扰乱一个系统，如果你不去管它，它本身的随机波动（即统计上）就越小。

“我们现在已经首次证实了该定理对一组特殊量子系统的有效性：玻色 - 爱因斯坦凝聚态，”波恩大学应用物理研究所的Julian Schmitt博士解释说。

玻色-爱因斯坦凝聚物是由于量子力学效应而可能产生的奇异物质形式：在某些条件下，粒子，无论是原子、分子，甚至是光子（构成光的粒子），都变得无法区分。成百上千的它们合并成一个单一的“超级粒子”——玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）。

在有限温度的液体中，分子随机来回移动。液体越热，这些热波动就越明显。玻色-爱因斯坦凝聚物也会波动：凝聚粒子的数量各不相同。而且这种波动也随着温度的升高而增加。

“如果波动耗散定理适用于BEC，那么它们的粒子数波动越大，它们对外部扰动的反应就越敏感，”Schmitt说。“不幸的是，超冷原子气体中通常研究的BEC的波动数量太小，无法测试这种关系。

然而，Martin Weitz教授的研究小组，施密特是初级研究小组的负责人，研究由光子制成的玻色 - 爱因斯坦凝聚态。对于此系统，限制不适用。“我们使BEC中的光子与染料分子相互作用，”物理学家解释说。当光子与染料分子相互作用时，经常发生分子“吞噬”光子的情况。染料因此变得能量激发。它以后可以通过“吐出”光子来释放这种激发能量。

“由于与染料分子的接触，我们BEC中的光子数量显示出很大的统计波动，”物理学家说。此外，研究人员可以精确控制这种变化的强度：在实验中，光子被困在两个镜子之间，在那里它们以乒乓球游戏的方式来回反射。

镜子之间的距离可以改变。它变得越大，光子的能量就越低。由于低能光子不太可能激发染料分子（因此它们被吞咽的频率较低），因此凝聚光粒子的数量现在波动要小得多。

波恩物理学家现在研究了波动的程度与BEC的“响应”有何关系。如果波动-耗散定理成立，则这种灵敏度应随着波动的减小而降低。

“事实上，我们能够在我们的实验中证实这种效应，”施密特强调说，他也是波恩大学跨学科研究领域（TRA）“物质”和卓越集群“ML4Q - 量子计算的物质和光”的成员。

与液体一样，现在可以从更容易测量的宏观响应参数中推断玻色-爱因斯坦凝聚物的微观特性。“这为新的应用开辟了一条道路，例如复杂光子系统中的精确温度测定，”Schmitt说。

更多信息：Fahri Emre Öztürk 等人，光子玻色-爱因斯坦凝聚物的波动-耗散关系，《物理评论快报》（2023 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.130.033602

期刊信息：物理评论快报