物理學(xué)中許多最重大的問題，都可以借助量子場論來回答：量子場論是描述許多相互作用粒子的動力學(xué)所必需，因此量子場論在固態(tài)物理學(xué)中的重要性與在宇宙學(xué)中的重要性不相上下。

然而，通常情況下，為特定問題建立量子場理論模型是極其復(fù)雜的，特別是當(dāng)所研究的系統(tǒng)，是由許多相互作用粒子組成的時候?，F(xiàn)在，來自維也納技術(shù)大學(xué)和海德堡大學(xué)的一個研究小組：

已經(jīng)開發(fā)出可以直接從實驗測量中獲得這些模型的方法，其研究結(jié)果發(fā)表在《物理評論X》期刊上。在某種意義上，可以測量理論本身，而不是將實驗結(jié)果與理論模型預(yù)測進(jìn)行比較，這應(yīng)該會為復(fù)雜的多體量子物理領(lǐng)域帶來新曙光。近年來，一種研究量子物理系統(tǒng)的新方法：即所謂的“量子模擬器”變得越來越重要，對一些量子系統(tǒng)，例如高溫超導(dǎo)體，根本沒有一個令人滿意的描述。

量子模擬器

其他系統(tǒng)更是不能直接觀測到，比如大爆炸后不久的早期宇宙。假設(shè)我們?nèi)匀幌胍私庖恍┻@樣的量子系統(tǒng)，那么只需選擇另一個可以在實驗室輕松控制的系統(tǒng)，并對其進(jìn)行調(diào)整，使其行為方式與我們真正感興趣的系統(tǒng)相似。維也納技術(shù)大學(xué)量子科學(xué)與技術(shù)中心(VCQ)的J?rg Schmiedmayer解釋說：例如，可以利用對超冷原子的實驗來了解那些我們原本根本無法研究的系統(tǒng)。

這是可能的，因為不同系統(tǒng)的不同量子物理描述之間有根本的相似之處。但無論研究哪一種量子系統(tǒng)，科學(xué)家總會遇到一個根本問題：如果涉及的粒子太多，量子理論的公式很快就會變得太復(fù)雜，以至于無法求解，即使用世界上最好的超級計算機也不行。這就很遺憾了，因為由許多粒子組成的系統(tǒng)特別有趣。在日常生活中，許多粒子同時發(fā)揮作用的情況總是存在。一般說來，對于一個多粒子系統(tǒng)來說，精確的量子理論是不可能求解的。

因為在這個系統(tǒng)中，每個粒子都被考慮在內(nèi)。所以科學(xué)家必須找到一種簡化的量子描述，它包含了所有的基本屬性，但不再依賴于單個粒子的細(xì)節(jié)。這類似于描述氣體，并不是對每一個原子都感興趣，而是對更普遍的變量感興趣，比如壓力和溫度。但是，對于多體系統(tǒng)，如何得出這樣的理論？從適用于單個粒子的自然規(guī)律中，純粹從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)它們是極其復(fù)雜的。但正如現(xiàn)在所證明的那樣，這是沒有必要的。

研究已經(jīng)找到了一種直接從實驗中讀取量子場理論描述的方法。從某種意義上說，大自然提供了必須用來描述它的公式，這一切都是由它自己提供的。我們知道，每個量子理論都必須遵守某些形式規(guī)則，例如（關(guān)聯(lián)、傳播子、頂點、費曼圖）每個量子物理模型的基本構(gòu)件。維也納技術(shù)大學(xué)和海德堡大學(xué)的研究小組已經(jīng)找到了一種方法，使這些獨立的基本構(gòu)件可以通過實驗獲得。這些實驗測量結(jié)果為多體系統(tǒng)帶來了一個經(jīng)驗性的量子理論，而不需要用紙和筆。

多年來，科學(xué)家們一直懷疑這在理論上是可能的，但并不是每個人都相信它實際上是有效的。現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)證明這是是對的，通過觀察一個特例，在這個特例中，理論也可以在數(shù)學(xué)上找到并得到解決，研究測量結(jié)果提供了完全相同的理論基石。這項實驗是用數(shù)以千計的超冷原子組進(jìn)行，這些原子被困在原子芯片上的磁阱中。從這些原子云的量子波型，可以確定相關(guān)函數(shù)，從這些關(guān)聯(lián)函數(shù)可以推導(dǎo)出適當(dāng)理論的基本構(gòu)件。

博科園｜研究/來自：維也納技術(shù)大學(xué)

參考期刊《物理評論X》

DOI: 10.1103/PhysRevX.10.011020

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