（文章來源：萬象經(jīng)驗）

在一眨眼的時間里，物質(zhì)中成千上萬的粒子之間發(fā)生了數(shù)十億次微小的相互作用。據(jù)說，全面模擬這些相互作用是難以捉摸的，但現(xiàn)在，來自牛津大學和華威大學的研究人員的新工作使之成為可能。華威大學和牛津大學的研究人員開發(fā)了一種新的方法來模擬許多粒子的量子系統(tǒng)，這種方法可以研究完全耦合于緩慢移動的離子的量子系統(tǒng)的動態(tài)特性。

實際上，他們已經(jīng)使量子電子的模擬如此之快，以至于它可以不受限制地運行很長時間，而且它們的運動對慢離子運動的影響將是可見的。發(fā)表在《科學進展》雜志上的報告稱，這是基于一個已知已久的量子力學替代公式(玻姆動力學)，科學家們現(xiàn)在已經(jīng)授權(quán)該公式用于研究大型量子系統(tǒng)的動力學。

由于大型復雜量子系統(tǒng)超過了科學家進行預測的理論和計算能力，許多量子現(xiàn)象都是針對單個或少數(shù)相互作用的粒子進行研究的。由于不同粒子種類作用的時間尺度的巨大差異，這一現(xiàn)象變得復雜起來：由于離子質(zhì)量較大，其演化速度比電子慢數(shù)千倍。為了克服這個問題，大多數(shù)方法都涉及到電子和離子的去耦，忽略了它們相互作用的動力學，但這嚴重限制了我們對量子動力學的了解。

為了開發(fā)一種能讓科學家解釋全電子-離子相互作用的方法，研究人員重新提出了大衛(wèi)·玻姆提出的量子力學的一種舊的替代公式。在量子力學中，人們需要知道粒子的波函數(shù)。結(jié)果表明，用玻姆的平均軌跡和相位來描述它是非常有利的。然而，它采取了一系列額外的近似和許多測試來加快計算速度。事實上，新的方法顯示速度增加了超過10000倍，但仍然與以前對量子系統(tǒng)靜態(tài)性質(zhì)的計算保持一致。

新方法隨后被應用于熱稠密物質(zhì)（固體和熱等離子體之間的一種狀態(tài)）的模擬，這種狀態(tài)以其所有粒子類型的固有耦合和對量子描述的需求而聞名。在這樣的系統(tǒng)中，電子和離子都能以波的形式產(chǎn)生激發(fā)，并且這兩種波會相互影響。在這里，新方法可以顯示其強度，并確定量子電子對經(jīng)典離子波的影響，同時證明靜態(tài)性質(zhì)與先前的數(shù)據(jù)一致。

多體量子系統(tǒng)是許多科學問題的核心，從我們體內(nèi)復雜的生物化學到大行星內(nèi)部物質(zhì)的行為，甚至是技術(shù)挑戰(zhàn)，如高溫超導性或聚變能，這些都表明了新方法可能的應用范圍。

領(lǐng)導這項調(diào)查的牛津大學教授吉安盧卡·格雷戈里說：“玻姆量子力學經(jīng)常受到懷疑和爭議。然而，在最初的公式中，這只是量子力學的另一種重新表述。采用這種形式主義的優(yōu)點是，不同的近似變得更容易實現(xiàn)，這可以增加涉及多體系統(tǒng)的模擬的速度和準確性。”

沃里克大學的Dirk Gericke博士協(xié)助設計了新的計算機代碼，他說：“隨著數(shù)值效率的巨大提高，現(xiàn)在有可能跟蹤完全相互作用電子-離子系統(tǒng)的全部動力學。因此，這種新方法為有效的解決方案開辟了新的問題類別。”

（責任編輯：fqj）