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量子混沌:从随机矩阵到开放多体系统

科学探索万象经验2023-09-04

量子混沌是一个非常有趣的领域,它探讨了如何从量子原理中导出经典混沌,也就是系统对初始条件的指数敏感性,通常被称为蝴蝶效应。在量子系统中,我们不能直接观测到轨道的敏感性,因为测量会扰动系统。但是,我们可以通过研究系统的能谱来寻找混沌的特征。能谱是指系统的能级之间的间隔分布,它反映了系统的动力学性质。

在上世纪50年代,Wigner引入了随机矩阵理论来描述重核(如铀)的能谱。他发现,描述这些系统的哈密顿量可以用矩阵来模拟,而矩阵的元素是随机变量。这样,核的谱线分布就可以和矩阵本征值的分布联系起来。后来,Dyson根据数学对称性将这些随机矩阵分成不同的类别。这些对称性可以用来对矩阵施加约束,从而简化了处理复杂系统的能力。随机矩阵已经成为一个令人兴奋的研究领域,它在物理和其他领域都有应用,包括金融和神经科学。它们也有望解决一些与量子混沌相关的重要问题。

在70年代,Bohigas-Giannoni-Schmit猜想将随机矩阵理论和基于哈密顿量的描述联系起来。他们猜想,在经典极限下表现出混沌行为的量子系统,其能谱应该符合随机矩阵理论的预测。这个猜想已经在许多实验中得到了验证,例如原子、分子、原子核和介观系统等。

然而,随机矩阵理论并不适用于所有类型的量子系统。特别是,它只适用于封闭系统,即不与环境交互的孤立系统。然而,在实际中,大多数量子系统都是开放的,即受到环境的影响。环境会导致系统失去纯度和相干性,从而增加了需要考虑的状态数。因此,开放的多体量子系统仍然是物理学中一个探索的前沿领域,对于它们还没有建立一个系统的理论框架。