冷原子和越野跑的多体动力学

牛顿第三运动定律指出，对于每个动作，都有一个相等且相反的反应。跑步的基本物理学涉及某人在与冲刺相反的方向上向地面施加力。

对于大四学生奥利维亚·罗森斯坦（Olivia Rosenstein）来说，她的跨国参与为她作为实验物理学家的研究提供了动力，她从事二维材料、光学和计算宇宙学的研究。

她是理查德·弗莱彻（Richard Fletcher）教授的新兴量子物质小组的本科生研究员，正在帮助建立一个用于研究多体物理学和量子模拟的铒锂陷阱。在去年秋天，该小组的重点是增加陷阱的铒原子数量并降低原子的温度，同时准备实验的下一步。

为此，Rosenstein帮助分析了该装置磁场的行为，对原子进行了成像，并为未来的激光冷却阶段开发了红外（IR）光学器件，该小组目前正在研究。

当她结束在麻省理工学院的时光时，她还认为她参加麻省理工学院的越野团队是跟上她的学术和研究工作量的关键。

“跑步是我生活中不可或缺的一部分，”她说。“它给我带来了快乐与和平，没有它，我的功能就会大大降低。“

第一步

罗森斯坦的父母——一位特殊教育教授和一位大学全球教育项目主任——鼓励她探索包括数学和科学在内的广泛学科。她对STEM的早期兴趣包括伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的工程外展协会，工程专业的学生在那里参观当地的小学。

在厄巴纳高中，她是一名越野跑运动员——三年的校队越野和田径队长，以及五次伊利诺伊州全州运动员——她的教练教授高级安置生物学。“他做了很多工作，向我介绍了驱动有氧适应的生理过程以及跑步者如何训练，”她回忆道。

因此，她在申请大学时倾向于学习生物学和生理学。起初，她不确定自己是否“足够聪明”，适合麻省理工学院。

“我认为麻省理工学院的每个人都可能压力太大，竞争激烈，淹没在psets（问题集）、提案和研究项目中，”她说。但一旦她有机会与麻省理工学院的学生交谈，她就改变了主意。

“麻省理工学院的孩子们努力工作不是因为我们有压力，而是因为我们对解决那个令人讨厌的pset问题感到兴奋，或者我们全神贯注于实验室，以至于我们没有注意到多了一个小时。我了解到，人们把很多时间花在他们的生活团体、舞蹈队、音乐合奏、体育、行动主义以及介于两者之间的每一项追求上。作为一名未来的学生，我也有机会与一些未来的越野队友交谈，很明显，这里的人们真的很喜欢在一起度过时光。

被物理学所吸引

作为第一年，她打算学习第 20 门课程，但后来她发现自己特别喜欢 Daniel Harlow 教授教授的 8.022 班（物理 II：电和磁）。

“我记得有一次，他用完全合乎逻辑的步骤引导我们得出结论，然后继续指出理论中的所有不一致之处，并告诉我们，不幸的是，我们需要相对论和更高级的物理学来解释它，所以我们都需要参加这些课程，也许还有几门研究生课程，然后我们就可以满意地回来了。

“我想，’好吧，我想我现在必须去物理研究生院。这在当时基本上是一个玩笑，但他成功地激起了我的兴趣。

她将生物工程的课程要求与物理学进行了比较，发现她更喜欢物理课。此外，她在远程学习方面的时间也促使她进行更多的实践活动。

“我意识到，当我的一些工作涉及在我面前有一些东西时，我是最快乐的。”

大二那年的夏天，她在家乡厄巴纳的伊利诺伊大学布莱恩·德马科教授的实验室工作。

“该小组正在构建一个捕获离子量子计算设备，我看到了如何在实践中使用物理概念，”她回忆道。“我喜欢实验主义者将时间研究理论与实验室时间建设结合起来。

随后，她在弗莱彻的小组工作，在法国与研究员丽贝卡·里贝罗-帕劳的凝聚态实验室一起在MISTI实习，以及与马克·沃格尔斯伯格教授的小组一起从事计算宇宙学项目的本科生研究机会计划项目在卡夫利天体物理和空间研究所，回顾了星系和暗物质晕在自相互作用暗物质模拟中的演化。

到了大三的春天，她特别喜欢在初级实验室第二学期的8.14班（实验物理II）做原子、分子和光学（AMO）实验。

“实验AMO非常有趣，因为你可以研究非常有趣的物理学 – 比如量子叠加，使用光来减慢原子的速度，以及未探索的理论效应 – 同时还可以构建现实世界的有形系统，”她说。“实现MOT（磁光阱）始终是实验中一个令人兴奋的阶段，因为你可以亲眼看到量子力学在起作用，这是迈向更复杂的原子操作的第一步。目前的AMO研究将让我们测试以前从未观察到的概念，增加我们对原子如何在基本水平上相互作用的了解。

对于这个探索性项目，Rosenstein 和她的实验室合作伙伴 Nicolas Tanaka 选择使用 JLab 的 ColdQuanta MiniMOT 套件和通过调制转移光谱进行激光锁定来构建铷的 MOT。两人在班级的海报会议上向该部门展示了，并获得了年度爱德华·皮克林杰出原创项目奖。

“我们希望获得使用光学和电子学的经验，并为未来的学生创建一个实验装置，”她说。“我们有点着迷——在课程的最后两周，我们中至少有一个人几乎每小时都在实验室里。看到一团铷终于出现在我们的红外电视屏幕上，我们充满了兴奋、自豪和宽慰。我真的投入到MOT的建设中，我觉得我可以看到自己在未来很长一段时间内都在从事这样的项目。

她补充说：“我喜欢在宇宙学中被问到的大问题，但无法忘记我在实验室里玩得有多开心，可以用我的手。我知道有些人无法忍受组装光学元件，但对我来说，这有点像乐高积木，我很高兴花一个下午的时间让镜子对准得恰到好处，而忽略外界。

作为一名大四学生，罗森斯坦的目标是收集实验光学和冷原子方面的经验，为博士工作做准备。“我想把我对大型物理问题和AMO实验的热情结合起来，也许使用精确测量进行基础物理测试，或者多体物理测试。

与此同时，她正在结束她的宇宙学研究，与麦吉尔大学的凯特琳·舒茨（Katelin Schutz）合作完成一个项目，他们正在测试一个模型，以解释宇宙早期阶段的21厘米无线电波信号，并为未来的望远镜测量提供信息。她的目标是了解有效场论 （EFT） 模型在有限信息量下预测 21 厘米场的能力。

“我们使用的EFT最初应用于非常大规模的模拟，我们希望它对一组较小的模拟仍然有效，但我们发现情况并非如此。那么，我们现在想知道的是，模拟必须有多少数据才能使模型工作。这项研究需要大量的数据分析，找到提取和解释有意义的趋势的方法。

“更令人兴奋的是，我们看到的效果与我们宇宙的故事有关， 我们正在开发的工具可以被天文学家用来了解更多信息。

越过危机

罗森斯坦认为她参加越野赛是为了度过大流行，大流行将踏入麻省理工学院的校园推迟到 2021 年春季。

“这个团队确实为我提供了主要的社交互动形式，”她说。“我们很遗憾我们没有参加比赛，但我跑了一场计时赛，这是我迄今为止最快的一英里，这是一个小小的胜利。

在她大二的时候，她在全国比赛中获得了第 38 名的成绩，在她的第一个大学越野赛季中获得了全国大学体育协会全美冠军的一席之地。应力性骨折限制了她的跑步时间，直到获得NCAA DIII全美第12名。（女队获得第七名，男队赢得了麻省理工学院的第一个NCAA全国冠军。当另一次受伤使她缺席时，她作为队长指导一年级学生，并尽可能地保持参与，同时骑自行车和游泳以保持训练。她希望在自己的生活中继续奔跑。

“跑步和物理学都与延迟满足有关：你不会每天都跑出个人记录，你也不会每天都发表突破性的发现。有时你可能会走几个月甚至几年，却不觉得自己的进步有了很大的飞跃。如果你不能接受这一点，你就不会成为一名跑步者或物理学家。

“也许这听起来像是跑步者和物理学家在磨练，忍受着不断的痛苦，以追求一些宏伟的目标。但有一个秘密：它不是痛苦。每天跑步是一种特权，也是与朋友共度时光的机会，远离其他工作。校准光学器件、调试代码和思考复杂问题不是受虐狂生活中的一天，只是一个令人满意的周三下午。

她补充道：“越野和物理学都需要天真的乐观主义和严谨的怀疑主义相结合。一方面，你必须相信你完全有能力赢得那场比赛或获得这些新结果，否则，你可能根本不会尝试。另一方面，你必须对将要采取的措施非常诚实，因为如果你不勤奋地进行训练，或者你只是假设你的实验设置将完全按照计划进行，这些结果就不会发生。总而言之，跑步和物理都由每天的微小进步组成，这些进步整合成一个大结果，每一个无穷小的片段都值得欣赏。