亚稳态星系（图片来源：Hubble Heritage Team,ESA,NASA）
一些物理系统，特别是在量子世界中，即使经过很长的时间也不会达到稳定的平衡。一位苏黎世联邦理工学院（ETH）的研究人员现在找到了对这种现象的合理解释。
如果把一瓶啤酒放进一个装满冰水的大浴缸中，不久后你就可以享用冰镇啤酒了。物理学家们在一百多年前就发现了这背后的原理：热交换进行，直至达到平衡。
然而，还有其他系统没有找到平衡，特别是量子系统。它们就像是浸润在冷水浴中的假想啤酒瓶，不会不可避免地冷却到水浴的温度，而是根据自身不同的初始温度达到不同的状态。直到现在，这样的系统一直困扰着物理学家。但是，苏黎世理工学院理论物理研究所的博士后Nicolò Defenu找到了一种合理地解释这种行为的方法。
一个更长远的影响
具体来说，我们所讨论的系统中，单个构建块不仅影响它们的近邻，还会影响更遥远的对象。星系是一个例子：单个恒星和行星系统之间的引力不仅会作用于邻近的天体，而且会远远地作用于银河系的其他组成部分——尽管这作用力会弱许多。
Defenu的方法首先将问题简化为单一维度的世界。其中有一个量子粒子，它只能停驻在一条直线上的特定位置。这个世界类似于Ludo这样的棋盘游戏，有一个小标记物从一个方格跳到另一个方格。假设有一个每一面都标记为“1”或“-1”的游戏骰子，并且玩家一遍又一遍地连续投掷骰子。小标记物将跳到相邻的方格中，然后从那里跳回来或跳到下一个方格中。如此等等。
棋盘游戏（图片来源：pixabay）
问题是，如果玩家无限次地投掷骰子将会发生什么呢？如果游戏中只有几个方格，则标记物会时不时地回到起点。然而，由于骰子投掷的结果是未知的，因此无法准确地预测它在任何给定时间的位置。
从头开始
遵从量子力学定律的粒子也处于相似的情形：在任何给定的时间都无法确切地知道它们的位置。然而，可以使用概率分布来确定它们的行踪。不同的分布是某个位置上概率的不同叠加所产生的结果，并且每个分布对应粒子的特定能量状态。结果表明，稳定能量状态的数量和系统的自由度一致，这与允许的位置数量完全对应。重要的是，所有稳定的概率分布在起点都是非零的。所以在某些时刻，标记物会回到其起始方格。
方格越多，标记物返回起点的频率就越低；最终，若有无数个可能的方格，它将永远不会回来。对于量子粒子来说，这意味着有无数种方法可将单个位置的概率结合起来形成不同的分布。因此，它不再只占据离散的某些能量状态，而是占据连续谱中所有可能的能量状态。
这些都不是新知识。然而，在游戏或物理系统的变体中，骰子也可以包含大于1和小于-1的数字，即每次移动所允许的步长可以更大——准确地说，甚至是无限大。这从根本上改变了情况，正如Defenu现在证明的那样：即使有无限的方格，这些系统中的能量谱始终保持离散。这意味着粒子会不时地返回起点。
奇特现象
这一新理论解释了科学家在实验中已经多次观察到的现象：系统中的长程相互作用没有达到稳定的平衡，而是处于一种亚稳态，在此状态下它们总是回到初始位置。就星系而言，这正是它们形成螺旋臂而不是均匀云的原因之一。这些螺旋臂内的恒星密度比臂外更高。
银河系螺旋臂结构（图片来源：维基百科）
离子是一个可被Defenu的理论描述的量子系统，它们是被困在电场中的带电原子。利用这种离子阱来建造量子计算机是目前最大的全球性研究项目之一。然而，这些计算机要真正实现在计算能力上的飞跃，需要大量同时被捕获的离子，这正是新理论有趣的一点。“在拥有一百个或更多离子的系统中，你会看到我们现在可以解释的特殊效应。”Defenu说道，他来自苏黎世联邦理工学院的教授Gian Michele Graf的研究组。他的实验物理学同事每天都在朝这个构造的目标迈进。一旦他们实现了目标，与Defenu喝一杯冰啤酒也是值得的。
作者：Maria Engel
翻译：李欣怡
审校：赵冰莹
引进来源：物理学家组织网
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