我们所经历的世界是由经典物理学支配的。我们如何移动、我们在哪里以及我们前进的速度都是由经典假设决定的，我们在任何时刻只能出现在一个地点。

但在量子世界中，单个原子的行为受一个怪异的原理支配，即粒子的位置是概率性的。例如，一个原子在同一时间里，有一定的几率出现在一个位置，还有一定的几率出现在另一个位置。

当粒子纯粹作为量子效应的结果相互作用时，一系列奇怪的现象就会随之而来。但是，在经典世界压倒性的噪声中观察粒子相互作用的这种纯量子力学行为是一项棘手的任务。

现在，麻省理工学院(MIT)的物理学家已经在一种物质的特殊状态下直接观察到了相互作用和量子力学的相互影响，这是一种由超冷原子组成的旋转流体。研究人员预测，在这种旋转的流体中，相互作用将占主导地位，并驱使粒子表现出奇特的、前所未见的行为。

在昨日发表在《自然》杂志上的一项研究中，麻省理工学院的团队快速旋转了一种超冷原子的量子流体。他们看着最初的圆形原子云首先变形为细长的针状结构。然后，估计是经典效应被抑制，这种流体只剩下相互作用和量子定律来支配原子的行为，针状结构自发地变成了一种晶体模式，类似于一串微型的量子龙卷风。

麻省理工学院物理学助理教授Richard Fletcher说：“这种结晶过程纯粹是由相互作用驱动的，它告诉我们我们正在从经典世界进入量子世界。”

这个结果是首次直接的、原位的记录了快速旋转量子气体的演化过程。麻省理工学院物理学教授Martin Zwierlein表示，旋转原子的演化与地球自转如何产生大规模天气过程大致相似。

Zwierlein指出：“解释地球自转效应的科里奥利效应与解释带电粒子在磁场中行为的洛伦兹力类似。即使在经典物理学中，这也会导致有趣的图案形成，就像云层以美丽的螺旋运动环绕地球。现在我们可以在量子世界中研究这个。”

在20世纪80年代，物理学家开始观察被称为量子霍尔流体的新物质家族，它由漂浮在磁场中的电子云组成。正如经典物理学所预测的那样，这些粒子并没有相互排斥并形成晶体，而是以一种相关的量子方式将它们的行为调整为其邻居正在做的事情。

Fletcher说：“人们发现了各种惊人的特性，原因是在磁场中，电子(通常)被冻结在原地，它们的所有动能都被关闭了，剩下的就是纯粹的相互作用。所以，这个完整的世界就出现了。但观察和理解它非常困难。”

因为，在磁场中电子的运动非常小，很难看到它的变化。Zwierlein和他的同事们推断，由于旋转中原子的运动发生在更大的长度尺度上，他们可以使用超冷原子来作为电子的替代品，并且能够在超冷原子上观察到相同的物理现象。

Zwierlein说：“我们想让这些冷原子表现得好像它们是磁场中的电子一样，但我们可以精确控制它。然后我们就可以想象单个原子在做什么，看看它们是否遵循相同的量子力学物理学。”

在他们的这一新研究中，物理学家使用激光捕获了大约有100万个钠原子的云，并将这些原子冷却到大约100纳开尔文的温度。然后，他们使用电磁铁系统产生一个陷阱来限制原子，并以每秒约100转的速度共同旋转原子，它就像碗中的弹珠一样。

该团队用相机对云进行了成像，捕捉到了一个类似于儿童在游乐场旋转木马上且面向中心时的视角。大约100毫秒后，研究人员观察到原子旋转成了一个长长的针状结构，并达到临界的量子厚度。

Zwierlein说：“在经典流体中，比如香烟烟雾，它只会变得越来越稀薄。但在量子世界中，流体达到了它可以变薄的极限。”

Fletcher和Zwierlein一起在之前的一篇科学论文中发表了这一结果。Fletcher补充说：“当我们看到它已经达到这个极限时，我们有充分的理由认为我们正在敲开有趣的量子物理学大门。但问题也随之而来，在纯粹的旋转和相互作用的影响下，这种细如针的液体会做什么？”

在他们的新论文中，该团队将实验更进一步，以了解针状流体将如何演变。随着流体继续旋转，他们观察到一种量子不稳定性开始出现：针开始摇晃，然后螺旋形运动，最后形成了一串旋转的斑点，或是像微型龙卷风一样的一种量子晶体，它纯粹由气体的旋转和原子间的力形成。

Zwierlein解释道：“这种演变与中国的蝴蝶如何在这里引起风暴的想法相似，因为不稳定会引发湍流。在这里，我们有量子天气：流体，只是因为它的量子不稳定性，会分裂成这种由较小的云和漩涡组成的晶体结构。我们能够直接看到这些量子效应是一个新突破。”（编译:Qtech）