从混乱到有序，量子世界也有速度上限？

导读：剑桥大学的一项研究发现，无论量子系统内部如何剧烈地相互作用，建立秩序的速度最终都会触及一个普适的上限。

秩序如何从混沌之中自发涌现？这在自然界中并不罕见：当温度降低到冰点以下时，空气中混乱的水分子会凝结成漂亮的雪花；材料内部原本杂乱无章的磁矩也能在特定温度下整齐排列，让材料出现铁磁性。而在微观的量子世界里，这种秩序的建立有一个更精准的术语，即量子相干性。这就像是亿万个原本具有不同能量和运动方向的杂乱原子，突然间具有了相同的能量和动量，步伐瞬间统一，形成了一个宏观的整体。

长期以来，物理学家凭直觉认为，系统内部粒子间的相互作用越强，彼此“沟通”越快，建立秩序的效率也应该越高。

然而，剑桥大学近日发表在《自然》的一项研究推翻了这一假设。研究人员发现，量子秩序的建立存在一个根本性的速度上限。要让成千上万个粒子统一步伐，粒子间必须要相互“沟通”。远处的粒子需要接收到近处粒子的状态信息，才能调整自己的步伐。而这项研究的发现意味着，无论系统内部如何剧烈地相互作用，建立秩序的速度最终都会触及一个普适的上限，它锁死了信息传递的极限，也揭示了量子世界某种深层的制约机制。

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物质“第五态”之谜

玻色—爱因斯坦凝聚态是继气、液、固以及等离子态之后物质的第五态，最早在处于极低温度下的冷原子中发现。当一团原子气体被冷却至绝对零度时，成千上万的原子会坍缩到同一个量子态上。此时，所有的原子行为一致、彼此间不可区分，表现得像一个巨大的超级原子。这种物态拥有完美的长程相干性，也就是出现了秩序。

图1：随着温度降低，“碗”状势阱中逐渐形成BEC。（来源：https://doi.org/10.1016/j.physrep.2016.02.003）

过去的几十年里，科学家们已经很擅长制造BEC，但对于BEC具体的形成过程的，我们知之甚少。特别是，当一个处于剧烈动荡、远离平衡态的量子气体，在试图演化成BEC时，这中间发生了什么？这是一个典型的非平衡态动力学问题，也是现代物理学中最困难的领域之一。

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盒子中的BEC如何自发平衡？

精确测量BEC的形成过程，听起来像个简单的任务，毕竟我们都能轻松制造出BEC了。但在现实中，实验物理学家面临一个巨大的障碍：不均匀性。

传统的超冷原子实验，通常是用磁场或光场制造一个碗状的“谐振势阱”来捕获原子。原子在这个“碗”里，中间部分堆得很密集，边缘又很稀疏。这种密度的差异，会导致形成BEC的转变不是整体发生的，而是像多米诺骨牌一样从中心向边缘扩散。这种空间分布不均带来的差异会掩盖原子随时间演变的信息，记住，我们要测量的是原子从混乱到形成秩序这个发生在一瞬间的动态过程。

剑桥大学的Zoran Hadzibabic教授团队一直尝试解决这一难题。早在2013年，该团队就研究出一种光学盒形势阱。与传统的“碗”状势阱不同，这个用激光构建的盒形势阱能让原子极其均匀地铺在平坦的底部。这一技术突破，相当于给了物理学家一张白纸，第一次可以在完全均匀的背景下，捕捉相干性传播的纯粹信号。

2025年11月12日，该团队在《自然》杂志发表论文，就BEC状态的制备展示了一个极其枯燥却又十分有趣的实验。这个实验就像不断地把一瓶果粒橙摇混再静置观察果粒重新沉淀的过程。首先，他们在箱体中利用钾-39原子制备出一团完美的BEC。接着，利用磁场猛烈地“摇晃”这团原子气，故意把它推到一个远离平衡的混乱状态。最后，他们利用一种被称为飞行时间成像的方法来观察这团混乱的原子云是如何自我修复、重新变得有序的。

按照经典直觉，如果增加原子间的相互作用强度，就相当于增加了粒子间交换信息的带宽，理应加速粒子恢复有序的速度。然而，实验数据呈现出令人惊讶的结果：在演化的初期，不同的初始条件确实导致了不同的行为。但随着时间推移，无论研究人员如何增强原子间的相互作用，所有的数据最终都收敛到了同一条直线上，系统进入了一个普适标度区。这意味着，“秩序”的传播速度被锁定在一个固定值上：v = 3.4 ℏ/m，只与约化普朗克常数ℏ和原子质量m有关。这个普适规律简洁得令人难以置信，它与温度、密度及相互作用强度等均无关！

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量子世界限速的起源

为什么原子间作用力再强，也无法突破这个普适的速度限制？

研究人员认为，这揭示了量子流体动力学的某种拓扑本质。

当量子气体从混乱走向有序时，不仅仅是能量的耗散过程，还需要消除被称为“量子涡旋”的拓扑缺陷。可以想象一团缠在一起的耳机线。要把它理顺，不能仅仅依靠蛮力拉扯，必须依据绳结的拓扑结构，一个个地解开它们。在量子气体中，这些“量子涡旋”形成了一种复杂的湍流状态。系统的演化速度，最终受限于涡旋相互湮灭和重排的速率。而控制这个速率的，正是量子力学中最底层的环流单位ℏ/m。

通常，我们认为ℏ只是一个描述微观粒子行为的极小数值。然而在这里，它竟也能掌管成千上万原子组成的宏观流体的命运。当系统处于这种极端状态时，关于系统的细节已经不再重要。系统的演化被简化到了最基本的层面，量子涡旋的耗散速度不再由复杂的剪切力决定，而是被普朗克常数严格锁定。就像c是宇宙中光速传播的极限一样，ℏ在这里也成了量子流体的速度极限。

你可能好奇，微观量子世界的速度限制对我们会有什么影响呢？这项研究首次确认了量子相干性的传播存在一个普适的速度上限，而与系统内部的相互作用强度无关。这意味着，在未来的量子计算机设计中，信息的处理速度存在理论天花板，我们无法单纯通过增强粒子间的互动来无限加速，必须在这个由普朗克常数设定的“最高时速”内运行。

而将视野拉远，正如科学家所言，我们的宇宙本质上也是一个巨大的量子系统，这种在实验室里捕捉到的普适规律，很可能也主宰了早期宇宙从大爆炸的混沌热汤中冷却、建立星系结构的宏大过程。

相对应的，若宇宙大爆炸后的冷却速度没有上限，是一瞬间完成的话，那也就没有时间来形成星球或者生命，星球的引力坍缩需要时间，生命的演化也需要时间。多么神奇的宇宙，正是因为存在这些物理定律上的限制，才最终孕育了满天的星河和生命的奇迹。

作者简介：

赵金瑜，《赛先生》科学写作小组成员，中国科学院物理研究所博士，现为北京高压科学研究中心博士后。

参考资料：（上下滑动可浏览）

[1]https://www.science.org/doi/10.1126/science.269.5221.198

[2]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.110.200406

[3]https://physics.aps.org/articles/v6/s72

[4]https://www.nature.com/articles/s41586-025-09735-z

来源：赛先生

编辑：LYang

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