一項研究團隊最近發現，當他們對宇宙中一些最冷的原子進行反覆搖晃時，這些原子並沒有像預期般四處散開。相反，這些原子似乎自我鎖定在某個位置，挑戰了物理學中一個基本的假設，即所有系統最終都必須失去秩序並進行熱化，這意味著能量會均勻地散佈，直到變得毫無特徵。這項發現不僅挑戰了長久以來對自然界能量流動的假設，還揭示了奇特的量子行為，未來可能會推動新的技術發展。
這項研究的背景是，科學家們長期以來面臨一個悖論：當將許多相互作用的粒子放在一起時，它們的混亂運動通常會導致混沌與熱量，使得維持秩序變得不可能。然而，早在1950年代的理論觀點就已經提出，量子效應有時可以保護系統不受這種命運的影響，但在真實的多粒子實驗中證明這一點幾乎是不可能的。當涉及超過幾個原子的情況時，計算變得十分複雜。一些早期實驗顯示出加熱的暫時減緩，但最終原子總是會吸收能量而失去相干性。這引發了一個問題：一個真正相互作用的多體量子系統真的能夠完全抵抗熱化嗎？
為了解開這個謎團，奧地利因斯布魯克大學的研究人員建造了一個極為精緻的實驗裝置。他們從約10萬個銫原子開始，這些原子的溫度僅比絕對零度高出幾十億分之一度。在這種極端的冷卻條件下，原子不再像經典的彈珠一樣運動，而是遵循量子力學的奇特規則。研究團隊將這些原子限制在數千個微小的管道內，每個管道的厚度只有一個原子，這樣有效地將系統轉變為一種一維氣體。隨後，他們使用脈衝正弦激光潛能，定期向原子施加能量，這個過程甚至進行了數百次。
這些反覆的沖擊本應使原子加熱並四散而去，導致速度分佈變得混亂，然而這一切並沒有發生。在經歷了一段初始演變後，原子的動量分佈停止了擴散，即使經歷了數百次沖擊。最終，這些原子的運動凝固了，而整個粒子系統也穩定在一個量子狀態中，幾乎以相同的速度運動，彷彿彼此黏合在一起。
這一研究成果的重要性在於，熱化通常被視為量子系統的敵人，它會抹去相干性，摧毀研究人員希望利用的特性。根據布魯克海文國家實驗室的量子物理專家Robert Konik的說法，熱化對量子效應來說總是致命的一擊。找到避免量子崩潰的方法對於量子傳感器、量子記憶體以及某些類型的量子電腦等技術至關重要。此外，這項研究不僅顯示了如何避免熱化，還提醒我們，量子世界並不總是遵循經典規則。儘管在常規世界中，系統往往遵循熵的法則，但這項研究顯示，極冷的原子有能力挑戰熵和混沌的概念。
因斯布魯克的團隊現在計劃進一步探討，將銫原子排列在較厚的管道中，並讓它們在管道之間移動，這些測試可能揭示這種凝固行為是否具有普遍性，或僅限於特定條件。這項研究的成果已發表於《科學》期刊。
