超流體與玻色-愛因斯坦凝聚

宏觀量子相干

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往平靜的池塘裡丟兩顆石子,漣漪散開、交錯,在波峰相加或相消的地方織出一圈圈明暗相間的規整花紋。這種井然有序、齊步前進的樣子,物理學家稱之為相干。通常只有極微小的東西——單個電子或光子——能保持這種波動的整齊;一旦撞上日常世界,它幾乎瞬間就被攪亂了。

宏觀量子相干,說的是這樣一種令人吃驚的情形:單獨一道共享的量子波,竟能在整整一塊肉眼可見的物質裡保持完美的步調——一整滴超流體、一個超導環、一團凝聚的原子雲。由於每個粒子都被鎖進同一道波,整個物體作為一體便擁有一個確定的量子相位,它能做出只有波才做得到的事:自我干涉、無阻流動,並且只以固定的、量子化的份量打轉。

這之所以重要,是因為它是超流體與超導體行為如此古怪的深層緣由,也是醫院裡那種極其靈敏的磁探測器等真實器件的根基。一個誠實的提醒是:這種相干很脆弱,平常會被熱和碰撞摧毀;它只在一些特別的態裡才能在人那麼大的尺度上存活,而且要保持極冷,與周遭隔絕得很好。

把一個玻色-愛因斯坦凝聚劈成兩團,再讓它們飄回來彼此交疊,它們會織出明暗相間的條紋,與兩道交疊的水波一模一樣——這正證明了整團原子雲原本踏著同一個共享的量子節拍。

同一個凝聚的兩半彼此干涉,顯出那一道共享的量子波。

這裡保持同步的「相位」,既不是溫度也不是壓強,而是一個更抽象的量子記帳量,像波峰出現的時機——正是這個共享的相位,而非任何單個原子的位置,讓那些奇蹟成為可能。

又稱
large-scale quantum coherence宏观量子相干