物理效应在量子世界也有效

诸平

Fig. 1 Photons (green) - can be ’swallowed’ by the dye molecules (red) and later ’spat out’ again. The more likely this is, the more the photon number fluctuates. © Image: J. Schmitt/University of Bonn .

Fig. 2 Dr. Julian Schmitt, - junior research group leader at the Institute of Applied Physics at the University of Bonn. ©Photo: Benoit Grogan-Avignon (2022)

据德国波恩大学（Universität Bonn）2023年1月20日报道，该校研究人员发现物理效应在量子世界中也是有效的(Physical effect also valid in the quantum world)。图1（Fig. 1）显示光子(绿色)-可以被染料分子“吞噬” (红色），然后再次“吐出”。这种可能性越大，光子数波动就越大。

波恩大学的研究人员证实了玻色-爱因斯坦凝聚物的物理学中心定理的有效性(Researchers at the University of Bonn confirm validity of a central theorem of physics for Bose-Einstein condensates)

波恩大学的物理学家通过实验证明，统计物理学的一个重要定理适用于所谓的“玻色-爱因斯坦凝聚体（Bose-Einstein condensates简称BEC）”。他们的结果现在可以测量量子“超粒子”（quantum "superparticles"）的某些特性，并推断出否则难以观察到的系统特征。相关研究结果于2023年1月20日已经在《物理评论快报》(Physical Review Letters)网站发表——Fahri Emre Öztürk, Frank Vewinger, Martin Weitz, Julian Schmitt. Fluctuation-Dissipation Relation for a Bose-Einstein Condensate of Photons. Physical Review Letters, Published 20 January 2023, 130, 033602. DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.033602. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.130.033602

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，您没有显微镜来观察这些称为“布朗运动”（"Brownian motion"）的位置波动。

事实证明你根本不需要它：你也可以简单地将一个物体系在一根绳子上，然后将它拉过液体。您必须施加的力越大，液体就越粘稠。而且它越粘稠，液体中的粒子平均改变它们的位置就越小。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涨落-耗散定理（fluctuation-dissipation theorem）。简而言之，它指出：从外部扰乱系统所需施加的力越大，如果您不理会它，它自身随机（即统计）波动的幅度也就越小。“我们现在首次证实了该定理对一组特殊量子系统的有效性：玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)，”波恩大学应用物理研究所（Institute of Applied Physics at the University of Bonn）的朱利安·施密特（Julian Schmitt, Fig. 2）博士解释道。

由数千个光粒子组成的“超级光子”("Super photons" made of thousands of light particles)

玻色-爱因斯坦凝聚物是由于量子力学效应而产生的奇异物质形式：在某些条件下，粒子，无论是原子、分子，甚至是光子即构成光的粒子，都变得无法区分。成百上千个它们合并成一个“超级粒子”（"super particle"）——玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)。

在有限温度的液体中，分子随机来回移动。液体温度越高，这些热波动就越明显。玻色-爱因斯坦凝聚体(BEC)也会波动：凝聚粒子的数量会发生变化。并且这种波动也随着温度的升高而增加。朱利安·施密特强调说：“如果波动耗散定理适用于BEC，那么它们的粒子数波动越大，它们对外部扰动的响应就越敏感。不幸的是，通常研究的超冷原子气体BEC的数量波动太小，无法检验这种关系。”

然而，朱利安·施密特领导的初级研究组的马丁·魏茨（Martin Weitz）研究小组，研究由光子制成的BEC。对于此系统，该限制不适用。“我们让BEC中的光子与染料分子相互作用，”这位物理学家解释说，他最近获得了一项为欧盟年轻科学家设立的高额奖金，即欧洲研究委员会启动研究基金（ERC Starting Grant）。当光子与染料分子相互作用时，经常会发生分子“吞噬”光子的情况。染料因此变得充满活力。它可以稍后通过“吐出”一个光子来释放这种激发能。

低能光子被吞噬的频率较低(Low-energy photons are swallowed less often)

“由于与染料分子的接触，我们的BEC中的光子数量显示出很大的统计波动，”这位物理学家说。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，以乒乓球的方式来回反射。镜子之间的距离可以变化。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（因此它们被吞噬的频率较低），因此凝聚光粒子的数量现在波动较小。

波恩大学物理学家现在研究波动的程度如何与BEC的“响应”相关。如果涨落-耗散定理（fluctuation-dissipation theorem）成立，这种灵敏度应该随着涨落的减小而降低。“事实上，我们能够在我们的实验中证实这种效果，”朱利安·施密特强调说。朱利安·施密特也是波恩大学跨学科研究领域 (TRA)“物质”（Transdisciplinary Research Area (TRA) "Matter" at the University of Bonn）和卓越集群“ML4Q - 物质和量子计算之光”（Cluster of Excellence "ML4Q - Matter and Light for Quantum Computing"）研究成员。与液体一样，现在可以从更容易测量的宏观响应参数推断玻色-爱因斯坦凝聚体的微观特性。“这为新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，”朱利安·施密特说。

该项目由德国研究基金会(German Research Foundation简称DFG)资助，作为欧盟项目“量子模拟光子”（ EU project "Photons for Quantum Simulation"）的一部分，也得到了德国联邦经济事务和气候行动部(German Federal Ministry of Economic Affairs and Climate Action简称BMWK)的资助。

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Abstract

For equilibrium systems, the magnitude of thermal fluctuations is closely linked to the dissipative response to external perturbations. This fluctuation-dissipation relation has been described for material particles in a wide range of fields. Here, we experimentally probe the relation between the number fluctuations and the response function for a Bose-Einstein condensate of photons coupled to a dye reservoir, demonstrating the fluctuation-dissipation relation for a quantum gas of light. The observed agreement of the scale factor with the environment temperature both directly confirms the thermal nature of the optical condensate and demonstrates the validity of the fluctuation-dissipation theorem for a Bose-Einstein condensate.