“上个世纪物理学的许多重大进展都与多粒子量子系统的行为有关，”宾夕法尼亚州立大学杰出物理学教授、该研究小组的负责人之一大卫·韦斯(David Weiss)说。“尽管有各种各样的‘多体’现象，如超导性、超流动性和磁性，但人们发现，它们在接近平衡状态时的行为往往是相似的，以至于它们可以被归类为一小组通用类。”相比之下，远离平衡状态的系统的行为很少产生这样的统一描述。”

Weiss解释说，这些量子多体系统是粒子的集合，就像原子一样，它们可以相对自由地移动。当它们的密度足够大、温度足够低时，就需要量子力学来描述它们的动力学。量子力学是描述原子或亚原子尺度上自然特性的基本理论。

在粒子加速器中，当重离子对以接近光速的速度碰撞时，通常会产生严重的不平衡系统。碰撞产生了等离子体——由亚原子粒子“夸克”和“胶子”组成——在碰撞的早期就出现了，可以用流体动力学理论来描述——类似于用于描述空气流动或其他运动流体的经典理论——在等离子体达到局部热平衡之前。但是在水动力理论被应用之前的短得惊人的时间里会发生什么呢?

研究小组的另一位负责人、宾夕法尼亚州立大学物理学教授马科斯·里戈尔(Marcos Rigol)说:“在流体动力学被应用之前发生的物理过程被称为‘流体动力学’。”“已经开发了许多理论来试图理解这些碰撞中的流体动力学，但情况相当复杂，不可能像在粒子加速器实验中那样实际观察到它。使用冷原子，我们可以观察到在水力化过程中发生了什么。”

宾夕法尼亚州立大学的研究人员利用了一维气体的两个特殊特征，它们被激光捕获并冷却到接近绝对零度，以便了解系统在失去平衡后的演变，但在流体力学可以应用之前。第一个功能是实验性的。实验中的相互作用可以在能量涌入后的任何点突然关闭，因此可以直接观察和测量系统的演化。具体来说，他们观察了能量突然猝灭后一维动量分布的时间演化。

韦斯说:“用激光制造的陷阱中的超冷原子允许如此精确的控制和测量，它们可以真正揭示多体物理。”“令人惊讶的是，在实验室中进行的一些能量最高的碰撞中，相对论重离子碰撞的基本物理特征也出现在我们实验室中进行的能量低得多的碰撞中。”

第二个特点是理论性的。以复杂方式相互作用的粒子的集合可以被描述为“准粒子”的集合，它们的相互作用要简单得多。与大多数系统不同，一维气体的准粒子描述在数学上是精确的。它允许一个非常清晰的描述，为什么能量在系统被抛出平衡后迅速重新分配。

Rigol说:“在这些一维气体中，已知的物理定律，包括守恒定律，意味着一旦这种初始演化结束，流体动力学描述将是准确的。”实验表明，这发生在局部平衡达到之前。因此，实验和理论共同提供了一个水力化的典型例子。由于流体动力学发生得如此之快，准粒子方面的基本理解可以应用于任何添加了大量能量的多体量子系统。”

除了Weiss和Rigol，宾夕法尼亚州立大学的研究小组还包括Yuan Le, Yicheng Zhang和Sarang Gopalakrishnan。这项研究是由美国国家科学基金会资助的。计算在宾夕法尼亚州立大学计算与数据科学研究所进行。