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  • 为什么物理学中,许多最重大的问题,都可以借助量子场论来回答?

    物理学中许多最重大的问题,都可以借助量子场论来回答:量子场论是描述许多相互作用粒子的动力学所必需,因此量子场论在固态物理学中的重要性与在宇宙学中的重要性不相上下。然而,通常情况下,为特定问题建立量子场理论模型是极其复杂的,特别是当所研究的系统,是由许多相互作用粒子组成的时候。现在,来自维也纳技术大学和海德堡大学的一个研究小组:

    为什么物理学中,许多最重大的问题,都可以借助量子场论来回答?

    已经开发出可以直接从实验测量中获得这些模型的方法,其研究结果发表在《物理评论X》期刊上。在某种意义上,可以测量理论本身,而不是将实验结果与理论模型预测进行比较,这应该会为复杂的多体量子物理领域带来新曙光。近年来,一种研究量子物理系统的新方法:即所谓的“量子模拟器”变得越来越重要,对一些量子系统,例如高温超导体,根本没有一个令人满意的描述。

    量子模拟器

    其他系统更是不能直接观测到,比如大爆炸后不久的早期宇宙。假设我们仍然想要了解一些这样的量子系统,那么只需选择另一个可以在实验室轻松控制的系统,并对其进行调整,使其行为方式与我们真正感兴趣的系统相似。维也纳技术大学量子科学与技术中心(VCQ)的Jörg Schmiedmayer解释说:例如,可以利用对超冷原子的实验来了解那些我们原本根本无法研究的系统。

    为什么物理学中,许多最重大的问题,都可以借助量子场论来回答?

    这是可能的,因为不同系统的不同量子物理描述之间有根本的相似之处。但无论研究哪一种量子系统,科学家总会遇到一个根本问题:如果涉及的粒子太多,量子理论的公式很快就会变得太复杂,以至于无法求解,即使用世界上最好的超级计算机也不行。这就很遗憾了,因为由许多粒子组成的系统特别有趣。在日常生活中,许多粒子同时发挥作用的情况总是存在。一般说来,对于一个多粒子系统来说,精确的量子理论是不可能求解的。

    为什么物理学中,许多最重大的问题,都可以借助量子场论来回答?

    因为在这个系统中,每个粒子都被考虑在内。所以科学家必须找到一种简化的量子描述,它包含了所有的基本属性,但不再依赖于单个粒子的细节。这类似于描述气体,并不是对每一个原子都感兴趣,而是对更普遍的变量感兴趣,比如压力和温度。但是,对于多体系统,如何得出这样的理论?从适用于单个粒子的自然规律中,纯粹从数学上推导它们是极其复杂的。但正如现在所证明的那样,这是没有必要的。

    为什么物理学中,许多最重大的问题,都可以借助量子场论来回答?

    研究已经找到了一种直接从实验中读取量子场理论描述的方法。从某种意义上说,大自然提供了必须用来描述它的公式,这一切都是由它自己提供的。我们知道,每个量子理论都必须遵守某些形式规则,例如(关联、传播子、顶点、费曼图)每个量子物理模型的基本构件。维也纳技术大学和海德堡大学的研究小组已经找到了一种方法,使这些独立的基本构件可以通过实验获得。这些实验测量结果为多体系统带来了一个经验性的量子理论,而不需要用纸和笔。

    为什么物理学中,许多最重大的问题,都可以借助量子场论来回答?

    多年来,科学家们一直怀疑这在理论上是可能的,但并不是每个人都相信它实际上是有效的。现在科学家已经证明这是是对的,通过观察一个特例,在这个特例中,理论也可以在数学上找到并得到解决,研究测量结果提供了完全相同的理论基石。这项实验是用数以千计的超冷原子组进行,这些原子被困在原子芯片上的磁阱中。从这些原子云的量子波型,可以确定相关函数,从这些关联函数可以推导出适当理论的基本构件。

    为什么物理学中,许多最重大的问题,都可以借助量子场论来回答?

    博科园|研究/来自:维也纳技术大学

    参考期刊《物理评论X》

    DOI: 10.1103/PhysRevX.10.011020

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