<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?><!DOCTYPE article PUBLIC "-//ES//DTD journal article DTD version 5.4.0//EN//XML" "art540.dtd" [<!ENTITY gr001 SYSTEM "gr001" NDATA IMAGE><!ENTITY gr002 SYSTEM "gr002" NDATA IMAGE><!ENTITY gr003 SYSTEM "gr003" NDATA IMAGE>]><article xmlns="http://www.elsevier.com/xml/ja/dtd" xmlns:ce="http://www.elsevier.com/xml/common/dtd" xmlns:sa="http://www.elsevier.com/xml/common/struct-aff/dtd" xmlns:sb="http://www.elsevier.com/xml/common/struct-bib/dtd" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" docsubtype="sco" xml:lang="en"><item-info><jid>PLB</jid><aid>32826</aid><ce:pii>S0370-2693(17)30343-X</ce:pii><ce:doi>10.1016/j.physletb.2017.04.069</ce:doi><ce:copyright year="2017" type="other">The Authors</ce:copyright><ce:doctopics><ce:doctopic id="doc0010"><ce:text>Theory</ce:text></ce:doctopic></ce:doctopics><ce:preprint><ce:inter-ref xlink:role="http://www.elsevier.com/xml/linking-roles/preprint" xlink:href="arxiv:1607.00949" id="inf0010"/></ce:preprint></item-info><ce:floats><ce:figure id="fg0010"><ce:label>Fig. 1</ce:label><ce:caption id="cp0010"><ce:simple-para id="sp0010">Quantum (top) and classical (bottom) time evolution of the occupation numbers in the toy system described in the text for the initial state |12,25,4,12,1〉. The dots on the right in the top panel indicate the thermal averages in the quantum case. The quantum system approaches the thermal averages on the expected time scale. The classical system does not equilibrate. The classical evolution tracks the quantum evolution only very briefly.</ce:simple-para></ce:caption><ce:alt-text role="short" id="at0010">Fig. 1</ce:alt-text><ce:link locator="gr001" xlink:type="simple" xlink:href="pii:S037026931730343X/gr001" xlink:role="http://data.elsevier.com/vocabulary/ElsevierContentTypes/23.4" id="ln0010"/></ce:figure><ce:figure id="fg0020"><ce:label>Fig. 2</ce:label><ce:caption id="cp0020"><ce:simple-para id="sp0020">Quantum evolution of the occupation number of the fourth oscillator (solid lines) of the toy system when the initial occupation numbers are <ce:italic>r</ce:italic><ce:hsp sp="0.2"/>×<ce:hsp sp="0.2"/>(6,4,5,4,3) with <ce:italic>r</ce:italic><ce:hsp sp="0.2"/>=<ce:hsp sp="0.2"/>1,2,...6. Both axes are rescaled according to the scale invariance of the classical equations of motion. The classical evolution is shown by the dotted line. The figure shows that when <ce:italic>r</ce:italic> is increased, the quantum evolution approaches a limit which differs from the classical evolution.</ce:simple-para></ce:caption><ce:alt-text role="short" id="at0020">Fig. 2</ce:alt-text><ce:link locator="gr002" xlink:type="simple" xlink:href="pii:S037026931730343X/gr002" xlink:role="http://data.elsevier.com/vocabulary/ElsevierContentTypes/23.4" id="ln0020"/></ce:figure><ce:figure id="fg0030"><ce:label>Fig. 3</ce:label><ce:caption id="cp0030"><ce:simple-para id="sp0030">Quantum evolution (solid lines) and classical evolution (dotted) of the occupation numbers for the initial state (0,12,16,0,0). The dashed lines show the quantum evolution of the corresponding coherent state.</ce:simple-para></ce:caption><ce:alt-text role="short" id="at0030">Fig. 3</ce:alt-text><ce:link locator="gr003" xlink:type="simple" xlink:href="pii:S037026931730343X/gr003" xlink:role="http://data.elsevier.com/vocabulary/ElsevierContentTypes/23.4" id="ln0030"/></ce:figure></ce:floats><head><ce:title id="ti0010">Duration of classicality in highly degenerate interacting Bosonic systems</ce:title><ce:author-group id="ag0010"><ce:author id="au0010" author-id="S037026931730343X-bd03d93e14cf14fc1fa2f52eb88ea6b6"><ce:given-name>Pierre</ce:given-name><ce:surname>Sikivie</ce:surname><ce:cross-ref refid="cr0010" id="crf0530"><ce:sup>⁎</ce:sup></ce:cross-ref><ce:e-address type="email" id="ea0010">sikivie@phys.ufl.edu</ce:e-address></ce:author><ce:author orcid="0000-0001-7419-0976" id="au0020" author-id="S037026931730343X-0a63328d7d7fcca1cf29de849a1ebb3d"><ce:given-name>Elisa M.</ce:given-name><ce:surname>Todarello</ce:surname></ce:author><ce:affiliation id="aff0010"><ce:textfn>Department of Physics, University of Florida, Gainesville, FL 32611, USA</ce:textfn><sa:affiliation><sa:organization>Department of Physics</sa:organization><sa:organization>University of Florida</sa:organization><sa:city>Gainesville</sa:city><sa:state>FL</sa:state><sa:postal-code>32611</sa:postal-code><sa:country>USA</sa:country></sa:affiliation></ce:affiliation><ce:correspondence id="cr0010"><ce:label>⁎</ce:label><ce:text>Corresponding author.</ce:text></ce:correspondence></ce:author-group><ce:date-received day="1" month="11" year="2016"/><ce:date-revised day="17" month="2" year="2017"/><ce:date-accepted day="26" month="4" year="2017"/><ce:miscellaneous id="ms0010">Editor: S. Dodelson</ce:miscellaneous><ce:abstract id="ab0010"><ce:section-title id="st0010">Abstract</ce:section-title><ce:abstract-sec id="as0010"><ce:simple-para id="sp0040">We study sets of oscillators that have high quantum occupancy and that interact by exchanging quanta. It is shown by analytical arguments and numerical simulation that such systems obey classical equations of motion only on time scales of order their relaxation time <ce:italic>τ</ce:italic> and not longer than that. The results are relevant to the cosmology of axions and axion-like particles.</ce:simple-para></ce:abstract-sec></ce:abstract></head><body><ce:sections><ce:para id="pr0010">The question under consideration here is: on what time scale do highly degenerate, interacting quantum oscillators obey classical equations of motion? Consider the broad class of systems that have a Hamiltonian of the form<ce:display><ce:formula id="fm0010"><ce:label>(1)</ce:label><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si1.gif"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">†</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mfrac><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">†</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">†</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></ce:formula></ce:display> where the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si2.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si3.gif"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">†</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math> are annihilation and creation operators satisfying canonical equal-time commutation relations. <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si4.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">†</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math> is the number of quanta in oscillator <ce:italic>j</ce:italic>. For the sake of definiteness, we have restricted ourselves in Eq. <ce:cross-ref refid="fm0010" id="crf0010">(1)</ce:cross-ref> to systems in which the total number of quanta <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si5.gif"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∑</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math> is conserved. The system states are given by linear combinations<ce:display><ce:formula id="fm0020"><ce:label>(2)</ce:label><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si6.gif"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo></mml:math></ce:formula></ce:display> of eigenstates <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si7.gif"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo></mml:math> of the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si8.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math> for arbitrary distributions <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si9.gif"><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math> of the quanta over the oscillators. In the Heisenberg picture, where the time-dependence of the state vectors has been removed, the annihilation operators <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si10.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math> satisfy the equations of motion<ce:display><ce:formula id="fm0030"><ce:label>(3)</ce:label><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si11.gif"><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">†</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="0.25em"/><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></ce:formula></ce:display> The classical description of the system is obtained by replacing the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si10.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math> with c-numbers <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si12.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math>. They satisfy<ce:display><ce:formula id="fm0040"><ce:label>(4)</ce:label><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si13.gif"><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>⁎</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="0.25em"/><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></ce:formula></ce:display> The quantum description always requires vastly more information than the classical one. To be specific, if the number of oscillators is <ce:italic>M</ce:italic> and the number of quanta <ce:italic>N</ce:italic>, the classical state is given by <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si14.gif"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math> real numbers, whereas the quantum state is given by<ce:display><ce:formula id="fm0050"><ce:label>(5)</ce:label><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si15.gif"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>!</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>!</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>!</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></ce:formula></ce:display> complex numbers. For example, if <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si16.gif"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn></mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si17.gif"><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:math>, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si18.gif"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4.26</mml:mn><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math>. <ce:italic>D</ce:italic> increases extremely fast with increasing <ce:italic>N</ce:italic> and <ce:italic>M</ce:italic>. Clearly a huge simplification occurs if the system obeys classical equations of motion. The question is: when is this approximation valid?</ce:para><ce:para id="pr0020">The question is particularly relevant to axion cosmology <ce:cross-refs refid="br0010 br0020 br0030 br0040 br0050 br0060" id="crs0010">[1–6]</ce:cross-refs>. The number of axions inside a co-moving volume of size (1 Mpc)<ce:sup>3</ce:sup> today is <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si19.gif"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>≃</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>⋅</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>81</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math>, assuming all the dark matter is axions and the axion mass is <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si20.gif"><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> eV</mml:mtext></mml:math>. Before structure formation, their momentum dispersion is at most of order <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si21.gif"><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math> where <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si22.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>−</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mtext>s</mml:mtext></mml:math> is the age of the universe when the axion mass effectively turns on, and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si23.gif"><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math> is the cosmological scale factor. Their quantum degeneracy, i.e. the average occupation number of those states that the axions occupy, is thus at least of order <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si24.gif"><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>61</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math> <ce:cross-ref refid="br0020" id="crf0020">[2]</ce:cross-ref>. Almost all discussion of the cosmology of axions <ce:cross-refs refid="br0010 br0060 br0070" id="crs0020">[1,6,7]</ce:cross-refs> or axion-like <ce:cross-ref refid="br0080" id="crf0030">[8]</ce:cross-ref> particles assumes that the axion fluid obeys classical field equations. However, it was shown in Refs. <ce:cross-refs refid="br0020 br0030" id="crs0030">[2,3]</ce:cross-refs> that the axion fluid thermalizes on a time scale shorter than the age of the universe after the photon temperature has dropped below approximately 500 eV. When the axion fluid thermalizes, it satisfies all conditions for Bose–Einstein condensation and this should therefore be the expected outcome on theoretical grounds. Furthermore it was shown <ce:cross-ref refid="br0090" id="crf0040">[9]</ce:cross-ref> that Bose–Einstein condensation of cold dark matter axions explains precisely and in all respects the observational evidence for caustic rings of dark matter in disk galaxies. The evidence is summarized in Ref. <ce:cross-ref refid="br0100" id="crf0050">[10]</ce:cross-ref>. Bose–Einstein condensation is a quantum effect. The argument that cold dark matter axions form a Bose–Einstein condensate was questioned <ce:cross-ref refid="br0060" id="crf0060">[6]</ce:cross-ref> in part on the belief that the cosmic axion fluid satisfies classical field equations as a result of its extremely high degeneracy. This belief is also implicit in the many other discussions of dark matter axions, or axion-like particles, which describe the axion fluid by classical field equations <ce:cross-ref refid="br0080" id="crf0070">[8]</ce:cross-ref>. So, we want to ask: is it true that highly degenerate Bosonic systems obey classical equations of motion merely because they are highly degenerate? And, if they obey classical field equations of motion for a while but not forever, what is the time scale over which classical equations of motion are obeyed?</ce:para><ce:para id="pr0030">When the interactions among the oscillators are turned off, i.e. when the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si25.gif"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math>, and the degeneracy <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si26.gif"><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:math> is high, a classical description is in fact correct, and accurate to order <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si27.gif"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:math>. Indeed Eqs. <ce:cross-ref refid="fm0030" id="crf0080">(3)</ce:cross-ref> and <ce:cross-ref refid="fm0040" id="crf0090">(4)</ce:cross-ref> are linear in that case and admit solutions that have identical time dependence. If the expected values <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si28.gif"><mml:mo stretchy="false">〈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo><mml:mo>≡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">〈</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo></mml:math> and their classical analogues <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si29.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>⁎</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math> are equal initially, they remain equal ever after. In spite of its apparent “triviality”, the non-interacting case describes a large number of interesting phenomena where the system has a non-trivial evolution either because the initial state is a linear superposition of different eigenmodes (e.g. the beating of a double pendulum) or because the oscillation frequencies of the oscillators are time-dependent (e.g. parametric resonance). Such phenomena are described by classical physics when <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si26.gif"><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:math> is large. The production of cold axions by vacuum realignment in the early universe is a case in point. Because the effect is due to the time dependence of the axion mass and interactions do not play an important role, a classical physics calculation produces a correct estimate of the axion cosmological energy density from vacuum realignment <ce:cross-ref refid="br0010" id="crf0100">[1]</ce:cross-ref>. Perhaps the successes of classical physics when <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si25.gif"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si30.gif"><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mo>∞</mml:mo></mml:math> has led to a widely held belief that classical physics also gives a good description when <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si31.gif"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si30.gif"><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mo>∞</mml:mo></mml:math>.</ce:para><ce:para id="pr0040">When <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si31.gif"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math>, the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si32.gif"><mml:mo stretchy="false">〈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo></mml:math> are time-dependent because quanta jump between oscillators in pairs: one quantum jumps from oscillator <ce:italic>l</ce:italic> to oscillator <ce:italic>j</ce:italic> while another quantum jumps from <ce:italic>n</ce:italic> to <ce:italic>k</ce:italic>. The classical <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si33.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math> are also time-dependent when <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si31.gif"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math>. The question here is whether the time dependence is the same. Assuming the initial state is far from equilibrium, there exists a time scale <ce:italic>τ</ce:italic> over which the distribution of the quanta over the oscillators changes completely, i.e. each <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si32.gif"><mml:mo stretchy="false">〈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo></mml:math> changes by order 100%. We call <ce:italic>τ</ce:italic> the relaxation time and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si34.gif"><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>τ</mml:mi></mml:math> the relaxation rate. If the system is stable, it will move toward thermal equilibrium on a time scale of order <ce:italic>τ</ce:italic>. If the system is unstable, it will also move towards thermal equilibrium on a time scale of order <ce:italic>τ</ce:italic> provided the time scale of instability is long compared to <ce:italic>τ</ce:italic>.</ce:para><ce:para id="pr0050">There is a simple a priori reason to expect the quantum and classical descriptions to deviate from each other on a time scale of order <ce:italic>τ</ce:italic>. Indeed, the quantum description has the system move towards a Bose–Einstein distribution whereas the classical description has the system move towards a Boltzmann distribution. This argument is compelling but perhaps not precise enough to give us an estimate of the time scale of classicality. It allows the classical description to be valid, for example, on a time scale of order <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si35.gif"><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">log</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math>. For the systems that we are familiar with in the laboratory, mainly superfluid <ce:sup>4</ce:sup>He and dilute ultra-cold atoms, the quantum degeneracy is not much larger than one. So we have no compelling guidance from experiment to tell us about the behavior of systems with huge degeneracy such as the cosmic axion fluid with <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si24.gif"><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>61</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math>.</ce:para><ce:para id="pr0060">To gain insight, consider the evolution equations for the occupation numbers. There are two cases to consider depending whether <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si36.gif"><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo>&lt;</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>ω</mml:mi></mml:math>, where <ce:italic>δω</ce:italic> is the energy dispersion, or <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si37.gif"><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo>&gt;</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>ω</mml:mi></mml:math>. In the first case, called the particle kinetic regime, we have<ce:display><ce:formula id="fm0060"><ce:label>(6)</ce:label><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si38.gif"><mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0.2em"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd columnalign="center"><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>π</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>⋅</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"/><mml:mtd columnalign="center"><mml:mo>⋅</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></ce:formula></ce:display> for the operators <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si39.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math> in the Heisenberg picture <ce:cross-ref refid="br0030" id="crf0110">[3]</ce:cross-ref>, and<ce:display><ce:formula id="fm0070"><ce:label>(7)</ce:label><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si40.gif"><mml:mtable displaystyle="true" columnspacing="0.2em"><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd columnalign="center"><mml:mo>=</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>π</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>⋅</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd columnalign="right"/><mml:mtd columnalign="center"><mml:mo>⋅</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd columnalign="left"><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></ce:formula></ce:display> for the c-numbers <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si33.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math> <ce:cross-ref refid="br0110" id="crf0120">[11]</ce:cross-ref>. In the second case, called the condensed regime, we have instead <ce:cross-ref refid="br0030" id="crf0130">[3]</ce:cross-ref><ce:display><ce:formula id="fm0080"><ce:label>(8)</ce:label><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si41.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">†</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">†</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">†</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">†</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></ce:formula></ce:display> and<ce:display><ce:formula id="fm0090"><ce:label>(9)</ce:label><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si42.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>i</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:munder><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>⁎</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>⁎</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>⁎</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>⁎</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace width="0.25em"/><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></ce:formula></ce:display> For a fluid of interacting particles, such as the cosmic axion fluid, the oscillators in Eq. <ce:cross-ref refid="fm0010" id="crf0140">(1)</ce:cross-ref> are labeled by the particle momenta <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si43.gif"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math> where the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si44.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math> (<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si45.gif"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math>) are integers and <ce:italic>L</ce:italic> is the linear size of a large cubic volume <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si46.gif"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math> in which the associated quantum field satisfies periodic boundary conditions. The oscillator frequencies are <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si47.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math> in the non-relativistic limit. In the case of cosmic axions, the relevant interactions are <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si48.gif"><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math> and gravitational, for which the couplings are respectively<ce:display><ce:formula id="fm0100"><ce:label>(10)</ce:label><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si49.gif"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>λ</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></ce:formula></ce:display> and<ce:display><ce:formula id="fm0110"><ce:label>(11)</ce:label><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si50.gif"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mspace width="0.25em"/><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></ce:formula></ce:display> In the particle kinetic regime, Eqs. <ce:cross-ref refid="fm0060" id="crf0150">(6)</ce:cross-ref> and <ce:cross-ref refid="fm0070" id="crf0160">(7)</ce:cross-ref> imply relaxation rates of order<ce:display><ce:formula id="fm0120"><ce:label>(12)</ce:label><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si51.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">pk</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>σ</mml:mi><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:math></ce:formula></ce:display> where <ce:italic>n</ce:italic> is the physical space density, <ce:italic>δv</ce:italic> is the velocity dispersion, and <ce:italic>σ</ce:italic> is the appropriate cross-section. For <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si48.gif"><mml:mi>λ</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>ϕ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math> interactions, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si53.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mn>64</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math>. For gravity, the appropriate cross-section is that for large angle scattering, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si54.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>σ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:math>, since forward scattering does not contribute to relaxation. In the condensed regime, Eqs. <ce:cross-ref refid="fm0080" id="crf0170">(8)</ce:cross-ref> and Eqs. <ce:cross-ref refid="fm0090" id="crf0180">(9)</ce:cross-ref> imply relaxation rates of order<ce:display><ce:formula id="fm0130"><ce:label>(13)</ce:label><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si55.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">cr</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace width="1em"/><mml:mtext>and</mml:mtext><mml:mspace width="1em"/><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">cr</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>π</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mfrac></mml:math></ce:formula></ce:display> respectively. The relaxation rate estimates appear very different in the two regimes. However they are related by <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si56.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">pk</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>∼</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">cr</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>ω</mml:mi></mml:math> so that they agree with one another at the inter-regime boundary where <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si57.gif"><mml:mi mathvariant="normal">Γ</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>δ</mml:mi><mml:mi>ω</mml:mi></mml:math>. Axion dark matter was found <ce:cross-refs refid="br0020 br0030" id="crs0040">[2,3]</ce:cross-refs> to thermalize in the condensed regime by their gravitational self-interactions when the photon temperature is of order 500 eV.</ce:para><ce:para id="pr0070">Eqs. <ce:cross-ref refid="fm0060" id="crf0190">(6)</ce:cross-ref> and <ce:cross-ref refid="fm0080" id="crf0200">(8)</ce:cross-ref> for quantum evolution closely resemble their classical counterparts, Eqs. <ce:cross-ref refid="fm0070" id="crf0210">(7)</ce:cross-ref> and <ce:cross-ref refid="fm0090" id="crf0220">(9)</ce:cross-ref>. However, let us point out two significant differences between Eqs. <ce:cross-ref refid="fm0060" id="crf0230">(6)</ce:cross-ref> and <ce:cross-ref refid="fm0070" id="crf0240">(7)</ce:cross-ref>. Similar differences exist between Eqs. <ce:cross-ref refid="fm0080" id="crf0250">(8)</ce:cross-ref> and <ce:cross-ref refid="fm0090" id="crf0260">(9)</ce:cross-ref>. The first and, as it will turn out, most important difference is that Eq. <ce:cross-ref refid="fm0060" id="crf0270">(6)</ce:cross-ref> is an operator equation whereas Eq. <ce:cross-ref refid="fm0070" id="crf0280">(7)</ce:cross-ref> is a c-number equation. The second difference is that the expression in brackets in Eq. <ce:cross-ref refid="fm0060" id="crf0290">(6)</ce:cross-ref> has terms <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si58.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math> that have no analogues in Eq. <ce:cross-ref refid="fm0070" id="crf0300">(7)</ce:cross-ref>. Indeed, if one attempts to derive Eq. <ce:cross-ref refid="fm0070" id="crf0310">(7)</ce:cross-ref> from <ce:cross-ref refid="fm0060" id="crf0320">(6)</ce:cross-ref> by taking the quantum expectation value on both sides of Eq. <ce:cross-ref refid="fm0060" id="crf0330">(6)</ce:cross-ref> and identifying <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si59.gif"><mml:mo stretchy="false">〈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo></mml:math> with <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si33.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math>, one encounters two difficulties. The first is that <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si60.gif"><mml:mo stretchy="false">〈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mo stretchy="false">〈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo><mml:mo stretchy="false">〈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo><mml:mo stretchy="false">〈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo></mml:math>. The second is that the expressions in brackets in the two equations are different even after replacing <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si8.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math> by <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si61.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math>.</ce:para><ce:para id="pr0080">There are specific cases where Eqs. <ce:cross-ref refid="fm0060" id="crf0340">(6)</ce:cross-ref> and <ce:cross-ref refid="fm0070" id="crf0350">(7)</ce:cross-ref> make dramatically different predictions because of the quadratic terms in Eq. <ce:cross-ref refid="fm0060" id="crf0360">(6)</ce:cross-ref> that have no analogues in Eq. <ce:cross-ref refid="fm0070" id="crf0370">(7)</ce:cross-ref>. For example consider the initial momentum distribution<ce:display><ce:formula id="fm0140"><ce:label>(14)</ce:label><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si62.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">∑</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>δ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></ce:formula></ce:display> with <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si63.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math> for a set of momenta <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si64.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math> (<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si65.gif"><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi></mml:math>) such that the process <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si66.gif"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mspace width="0.2em"/><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mspace width="0.2em"/><mml:mo>″</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mspace width="0.2em"/><mml:mo>‴</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math> violates energy–momentum conservation for any <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si67.gif"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:math>, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si68.gif"><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mspace width="0.2em"/><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si69.gif"><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mspace width="0.2em"/><mml:mo>″</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math> belonging to the set, and arbitrary <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si70.gif"><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mspace width="0.2em"/><mml:mo>‴</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math>. In other words, in this configuration any scattering allowed by energy–momentum conservation is into final states that are both initially empty. This momentum distribution has a time-dependent evolution according to Eq. <ce:cross-ref refid="fm0060" id="crf0380">(6)</ce:cross-ref>, whereas it is time-independent according to Eq. <ce:cross-ref refid="fm0070" id="crf0390">(7)</ce:cross-ref>. Indeed the process <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si66.gif"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mspace width="0.2em"/><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mspace width="0.2em"/><mml:mo>″</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mspace width="0.2em"/><mml:mo>‴</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math> always occurs in the quantum theory when the initial modes are occupied (<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si71.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si72.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mspace width="0.2em"/><mml:mo>′</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math>), whereas it occurs in the classical theory only if in addition one of the final modes is occupied (<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si73.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mspace width="0.2em"/><mml:mo>″</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math> or <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si74.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mspace width="0.2em"/><mml:mo>‴</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>≠</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math>). As a particular case, two monochromatic particle beams do not scatter in the classical theory unless one of the final states allowed by energy–momentum conservation is already occupied, whereas two such beams always scatter in the quantum theory. The momentum distribution of Eq. <ce:cross-ref refid="fm0140" id="crf0400">(14)</ce:cross-ref> is not generic but even for generic initial momentum distributions the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si32.gif"><mml:mo stretchy="false">〈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo></mml:math> will deviate from the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si61.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math> because of the extra terms in the brackets of Eq. <ce:cross-ref refid="fm0060" id="crf0410">(6)</ce:cross-ref> that have no analogues in Eq. <ce:cross-ref refid="fm0070" id="crf0420">(7)</ce:cross-ref>. After a time of order <ce:italic>τ</ce:italic>, the resulting difference <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si75.gif"><mml:mo stretchy="false">〈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo><mml:mo>−</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math> will be <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si76.gif"><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math> and then grow exponentially fast as the quantum evolution leads to a Bose–Einstein distribution whereas the classical evolution leads to a Boltzmann distribution. So the classical evolution will certainly deviate from the quantum evolution by order 100% after a time of order <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si77.gif"><mml:mi>τ</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">log</mml:mi><mml:mo>⁡</mml:mo><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:math>. Actually, as we now show, the classical and quantum evolutions deviate from one another much faster than that because Eq. <ce:cross-ref refid="fm0060" id="crf0430">(6)</ce:cross-ref> is an operator equation whereas Eq. <ce:cross-ref refid="fm0070" id="crf0440">(7)</ce:cross-ref> is a c-number equation.</ce:para><ce:para id="pr0090">Only in eigenstates <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si7.gif"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo></mml:math> of the occupation numbers is <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si78.gif"><mml:mo stretchy="false">〈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">〈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo><mml:mo stretchy="false">〈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo><mml:mo stretchy="false">〈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo></mml:math>. Generally speaking, it is exceedingly unlikely at any given moment that the quantum state is an eigenstate of the occupation numbers. Even if it happens to be in such a state, quantum evolution will soon, as a result of interactions, cause it to become a linear superposition of many different <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si7.gif"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">}</mml:mo><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo></mml:math>. In contrast, the classical state is always an eigenstate of the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si61.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math>. To investigate the implications of this difference, we carried out numerical simulations of five oscillators in the condensed regime. The toy system we use was first described in Ref. <ce:cross-ref refid="br0030" id="crf0450">[3]</ce:cross-ref> and shown there to thermalize on the expected time scale <ce:italic>τ</ce:italic>. Its Hamiltonian has the form given in Eq. <ce:cross-ref refid="fm0010" id="crf0460">(1)</ce:cross-ref> with <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si79.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>ω</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math> (<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si80.gif"><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:math>) and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si25.gif"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math> unless <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si81.gif"><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math>. Non-zero values are given to <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si82.gif"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>14</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>23</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math>, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si83.gif"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>15</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>24</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math>, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si84.gif"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>25</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>34</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math>, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si85.gif"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>13</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math>, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si86.gif"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>33</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>24</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math>, <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si87.gif"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>33</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>15</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si88.gif"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>44</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>35</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math>, and their conjugates <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si89.gif"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mtext> </mml:mtext><mml:mo>⁎</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math>. We numerically integrate the Schrödinger equation<ce:display><ce:formula id="fm0150"><ce:label>(15)</ce:label><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si90.gif"><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>∂</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">Ψ</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo></mml:math></ce:formula></ce:display> for this model starting from an initial state which is an eigenstate of the occupation numbers, calculate the expectation values <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si91.gif"><mml:mo stretchy="false">〈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math> and compare with the classical evolution <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si33.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math> obtained by numerically integrating Eq. <ce:cross-ref refid="fm0040" id="crf0470">(4)</ce:cross-ref>. A large number of initial conditions were simulated. We find in all cases that the classical evolution deviates from the quantum evolution on a time scale which is short compared to <ce:italic>τ</ce:italic>.</ce:para><ce:para id="pr0100">The top panel of <ce:cross-ref refid="fg0010" id="crf0480">Fig. 1</ce:cross-ref><ce:float-anchor refid="fg0010"/> shows the quantum evolution of the initial state <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si92.gif"><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>25</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo></mml:math> as an example. The figure shows that the expected values <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si32.gif"><mml:mo stretchy="false">〈</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">〉</mml:mo></mml:math> move towards the thermal averages on the expected time scale <ce:italic>τ</ce:italic>, which is of order one given the coupling strengths <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si93.gif"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">Λ</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math> in the simulation <ce:cross-ref refid="br0030" id="crf0490">[3]</ce:cross-ref>. The quantum thermal averages are computed by giving equal probability to each system state consistent with the total number of quanta and the total energy in the initial state. They are shown by the dots on the right side of <ce:cross-ref refid="fg0010" id="crf0500">Fig. 1</ce:cross-ref>. The bottom panel of <ce:cross-ref refid="fg0010" id="crf0510">Fig. 1</ce:cross-ref> shows the classical evolution of the initial state <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si94.gif"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msqrt><mml:mn>12</mml:mn></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo><mml:msqrt><mml:mn>25</mml:mn></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo><mml:msqrt><mml:mn>4</mml:mn></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo><mml:msqrt><mml:mn>12</mml:mn></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo><mml:msqrt><mml:mn>1</mml:mn></mml:msqrt><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math>, in which the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si61.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math> and their time derivatives <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si95.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>˙</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math> have the same initial values as their quantum analogues in the top panel. <ce:cross-ref refid="fg0010" id="crf0520">Fig. 1</ce:cross-ref> shows that the classical evolution tracks the quantum evolution only for a short time compared to <ce:italic>τ</ce:italic>. <ce:cross-ref refid="fg0010" id="crf0640">Fig. 1</ce:cross-ref> also shows that the classical oscillators do not approach thermal equilibrium on the time scale <ce:italic>τ</ce:italic>. If the simulation is prolonged, one finds that the classical oscillators do not thermalize even after a very long time. This phenomenon was first noted by Fermi, Pasta and Ulam in 1955 and has been studied by many authors since <ce:cross-ref refid="br0120" id="crf0540">[12]</ce:cross-ref>.</ce:para><ce:para id="pr0110">Our concern is whether the classical evolution is a good approximation to the quantum evolution. It is not for the initial condition described in the previous paragraph, nor for all the other initial conditions that we simulated. One may wonder whether this is due to the occupation numbers being too small. To test this we did a series of simulations in which all the occupation numbers are scaled up by a common factor <ce:italic>r</ce:italic>. The classical evolution remains unchanged under such a rescaling provided time <ce:italic>t</ce:italic> is rescaled by <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si96.gif"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">/</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi></mml:math>. The quantum evolution is not rescaling invariant for small <ce:italic>r</ce:italic> but is found in our simulations to approach a rescaling invariant limit when <ce:italic>r</ce:italic> is increased, as shown in <ce:cross-ref refid="fg0020" id="crf0550">Fig. 2</ce:cross-ref><ce:float-anchor refid="fg0020"/>. For the largest system simulated (<mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si97.gif"><mml:mtext>r</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:math>), the occupation numbers range from 18 to 36. Performing much larger simulations is prohibitively expensive. However, the convergence of the quantum behavior for increasing r leads us to believe that a further increase of the occupation numbers would not produce any relevant changes. Thus we find that the quantum evolution is different from the classical evolution in the large <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si26.gif"><mml:mi mathvariant="script">N</mml:mi></mml:math> limit.</ce:para><ce:para id="pr0120">One may also ask whether the classical evolution equations give a good approximation to the quantum evolution if the initial state is a coherent state, i.e. a state of minimum uncertainty in the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si2.gif"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math>. We tested this and found that they do not. <ce:cross-ref refid="fg0030" id="crf0560">Fig. 3</ce:cross-ref><ce:float-anchor refid="fg0030"/> shows three different evolutions of the initial state <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" altimg="si98.gif"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>12</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>16</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math>: i) the classical evolution, ii) the quantum evolution, and iii) the quantum evolution of the corresponding coherent state. Evolutions ii) and iii) are similar and different from evolution i).</ce:para><ce:para id="pr0130">We conclude that highly degenerate interacting Bosonic systems obey classical equations of motions only on time scales at most of order the relaxation time scale <ce:italic>τ</ce:italic>. Our simulations had only five oscillators but there is no reason to think that the classical description fares any better when the number of oscillators is increased. Our result is relevant to the cosmology of dark matter axions and axion-like particles because their relaxation rate by gravitational self-interactions becomes, at some point, shorter than the evolution rate of the universe <ce:cross-refs refid="br0020 br0030" id="crs0050">[2,3]</ce:cross-refs>. When this happens, the commonly made assumption that the axion fluid obeys classical field equations is unjustified. Classical field equations are still valid, of course, as a description of stable or metastable objects in the axion fluid such as flat domain walls <ce:cross-ref refid="br0130" id="crf0570">[13]</ce:cross-ref>, straight strings <ce:cross-ref refid="br0140" id="crf0580">[14]</ce:cross-ref> and Bose stars <ce:cross-refs refid="br0150 br0060 br0070 br0160" id="crs0060">[15,6,7,16]</ce:cross-refs> since thermalization plays no role for them.</ce:para><ce:para id="pr0140">We thank Edward Witten, Charles Thorn, Joerg Jaeckel, Adam Christopherson, Gaoli Chen, Sankha Chakrabarty and Yaqi Han for useful discussions, and Mark Hertzberg for pointing out an error in our original version of this paper <ce:cross-ref refid="br0170" id="crf0630">[17]</ce:cross-ref>. This work was supported in part by the <ce:grant-sponsor id="gsp0010" sponsor-id="http://dx.doi.org/10.13039/100000015">U.S. Department of Energy</ce:grant-sponsor> under grant No. <ce:grant-number refid="gsp0010">DE-FG02-97ER41029</ce:grant-number>, and by the <ce:grant-sponsor id="gsp0020">Heising-Simons Foundation</ce:grant-sponsor> under grant No. <ce:grant-number refid="gsp0020">2015-109</ce:grant-number>.</ce:para></ce:sections></body><tail><ce:bibliography id="bl0010"><ce:section-title id="st0020">References</ce:section-title><ce:bibliography-sec id="bs0010"><ce:bib-reference id="br0010"><ce:label>[1]</ce:label><sb:reference id="bib6178646Ds1"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>J.</ce:given-name><ce:surname>Preskill</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>M.</ce:given-name><ce:surname>Wise</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>F.</ce:given-name><ce:surname>Wilczek</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Phys. Lett. B</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>120</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>1983</sb:date></sb:issue><sb:pages><sb:first-page>127</sb:first-page></sb:pages></sb:host></sb:reference><sb:reference id="bib6178646Ds2"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>L.</ce:given-name><ce:surname>Abbott</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>P.</ce:given-name><ce:surname>Sikivie</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Phys. Lett. B</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>120</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>1983</sb:date></sb:issue><sb:pages><sb:first-page>133</sb:first-page></sb:pages></sb:host></sb:reference><sb:reference id="bib6178646Ds3"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>M.</ce:given-name><ce:surname>Dine</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>W.</ce:given-name><ce:surname>Fischler</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Phys. Lett. B</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>120</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>1983</sb:date></sb:issue><sb:pages><sb:first-page>137</sb:first-page></sb:pages></sb:host></sb:reference></ce:bib-reference><ce:bib-reference id="br0020"><ce:label>[2]</ce:label><sb:reference id="bib4341424543s1"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>P.</ce:given-name><ce:surname>Sikivie</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>Q.</ce:given-name><ce:surname>Yang</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Phys. Rev. Lett.</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>103</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2009</sb:date></sb:issue><sb:article-number>111301</sb:article-number></sb:host></sb:reference></ce:bib-reference><ce:bib-reference id="br0030"><ce:label>[3]</ce:label><sb:reference id="bib6178746865726Ds1"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>O.</ce:given-name><ce:surname>Erken</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>P.</ce:given-name><ce:surname>Sikivie</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>H.</ce:given-name><ce:surname>Tam</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>Q.</ce:given-name><ce:surname>Yang</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Phys. Rev. D</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>85</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2012</sb:date></sb:issue></sb:host></sb:reference></ce:bib-reference><ce:bib-reference id="br0040"><ce:label>[4]</ce:label><sb:reference id="bib5361696B617761s1"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>K.</ce:given-name><ce:surname>Saikawa</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>M.</ce:given-name><ce:surname>Yamaguchi</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Phys. Rev. D</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>87</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2013</sb:date></sb:issue><sb:article-number>085010</sb:article-number></sb:host></sb:reference></ce:bib-reference><ce:bib-reference id="br0050"><ce:label>[5]</ce:label><sb:reference id="bib426572676573s1"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>J.</ce:given-name><ce:surname>Berges</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>J.</ce:given-name><ce:surname>Jaeckel</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Phys. Rev. D</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>91</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2015</sb:date></sb:issue><sb:article-number>025020</sb:article-number></sb:host></sb:reference></ce:bib-reference><ce:bib-reference id="br0060"><ce:label>[6]</ce:label><sb:reference id="bib47757468s1"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>A.</ce:given-name><ce:surname>Guth</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>M.</ce:given-name><ce:surname>Hertzberg</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>C.</ce:given-name><ce:surname>Prescod-Weinstein</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Phys. Rev. D</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>92</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2015</sb:date></sb:issue><sb:article-number>103513</sb:article-number></sb:host></sb:reference></ce:bib-reference><ce:bib-reference id="br0070"><ce:label>[7]</ce:label><sb:reference id="bib4272616174656Es1"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>E.</ce:given-name><ce:surname>Braaten</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>A.</ce:given-name><ce:surname>Mohapatra</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>H.</ce:given-name><ce:surname>Zhang</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:e-host><ce:inter-ref xlink:role="http://www.elsevier.com/xml/linking-roles/preprint" xlink:href="arxiv:1512.00108" id="inf0020">arXiv:1512.00108</ce:inter-ref></sb:e-host></sb:host></sb:reference></ce:bib-reference><ce:bib-reference id="br0080"><ce:label>[8]</ce:label><sb:reference id="bib414C5073s1"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>S.-J.</ce:given-name><ce:surname>Sin</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Phys. Rev. D</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>50</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>1994</sb:date></sb:issue><sb:pages><sb:first-page>3650</sb:first-page></sb:pages></sb:host></sb:reference><sb:reference id="bib414C5073s2"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>J.</ce:given-name><ce:surname>Goodman</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>New Astron. Rev.</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>5</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2000</sb:date></sb:issue><sb:pages><sb:first-page>103</sb:first-page></sb:pages></sb:host></sb:reference><sb:reference id="bib414C5073s3"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>W.</ce:given-name><ce:surname>Hu</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>R.</ce:given-name><ce:surname>Barkana</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>A.</ce:given-name><ce:surname>Gruzinov</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Phys. Rev. Lett.</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>85</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2000</sb:date></sb:issue><sb:pages><sb:first-page>1158</sb:first-page></sb:pages></sb:host></sb:reference><sb:reference id="bib414C5073s4"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>E.W.</ce:given-name><ce:surname>Mielke</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>J.A.</ce:given-name><ce:surname>Vélez Pérez</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Phys. Lett. B</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>671</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2009</sb:date></sb:issue><sb:pages><sb:first-page>174</sb:first-page></sb:pages></sb:host></sb:reference><sb:reference id="bib414C5073s5"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>J.-W.</ce:given-name><ce:surname>Lee</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>S.</ce:given-name><ce:surname>Lim</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>J. Cosmol. Astropart. Phys.</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>1001</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2010</sb:date></sb:issue><sb:article-number>007</sb:article-number></sb:host></sb:reference><sb:reference id="bib414C5073s6"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>A.</ce:given-name><ce:surname>Lundgren</ce:surname></sb:author><sb:et-al/></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Astrophys. J.</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>715</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2010</sb:date></sb:issue><sb:article-number>L35</sb:article-number></sb:host></sb:reference><sb:reference id="bib414C5073s7"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>D.J.</ce:given-name><ce:surname>Marsh</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>P.G.</ce:given-name><ce:surname>Ferreira</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Phys. Rev. D</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>82</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2010</sb:date></sb:issue><sb:article-number>103528</sb:article-number></sb:host></sb:reference><sb:reference id="bib414C5073s8"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>T.</ce:given-name><ce:surname>Harko</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Phys. Rev. D</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>83</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2011</sb:date></sb:issue><sb:article-number>123515</sb:article-number></sb:host></sb:reference><sb:reference id="bib414C5073s9"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>P.-H.</ce:given-name><ce:surname>Chavanis</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Astron. Astrophys.</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>537</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2012</sb:date></sb:issue><sb:article-number>A127</sb:article-number></sb:host></sb:reference><sb:reference id="bib414C5073s10"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>P.</ce:given-name><ce:surname>Arias</ce:surname></sb:author><sb:et-al/></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>J. Cosmol. Astropart. Phys.</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>1206</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2012</sb:date></sb:issue><sb:article-number>013</sb:article-number></sb:host></sb:reference><sb:reference id="bib414C5073s11"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>V.</ce:given-name><ce:surname>Lora</ce:surname></sb:author><sb:et-al/></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>J. Cosmol. Astropart. Phys.</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>02</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2012</sb:date></sb:issue><sb:article-number>011</sb:article-number></sb:host></sb:reference><sb:reference id="bib414C5073s12"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>T.</ce:given-name><ce:surname>Rindler-Daller</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>P.</ce:given-name><ce:surname>Shapiro</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Mon. Not. R. Astron. Soc.</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>422</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2012</sb:date></sb:issue><sb:pages><sb:first-page>135</sb:first-page></sb:pages></sb:host></sb:reference><sb:reference id="bib414C5073s13"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>D.J.</ce:given-name><ce:surname>Marsh</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>J.</ce:given-name><ce:surname>Silk</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Mon. Not. R. Astron. Soc.</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>437</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2014</sb:date></sb:issue><sb:pages><sb:first-page>2652</sb:first-page></sb:pages></sb:host></sb:reference><sb:reference id="bib414C5073s14"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>H.-Y.</ce:given-name><ce:surname>Schive</ce:surname></sb:author><sb:et-al/></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Phys. Rev. Lett.</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>113</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2014</sb:date></sb:issue><sb:article-number>261302</sb:article-number></sb:host></sb:reference><sb:reference id="bib414C5073s15"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>B.</ce:given-name><ce:surname>Bozek</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>D.J.</ce:given-name><ce:surname>Marsh</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>J.</ce:given-name><ce:surname>Silk</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>R.</ce:given-name><ce:surname>Wyse</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Mon. Not. R. Astron. Soc.</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>450</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2015</sb:date></sb:issue><sb:pages><sb:first-page>209</sb:first-page></sb:pages></sb:host></sb:reference><sb:reference id="bib414C5073s16"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>E.</ce:given-name><ce:surname>Calabrese</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>D.N.</ce:given-name><ce:surname>Spergel</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:e-host><ce:inter-ref xlink:role="http://www.elsevier.com/xml/linking-roles/preprint" xlink:href="arxiv:1603.07321" id="inf0030">arXiv:1603.07321</ce:inter-ref></sb:e-host></sb:host></sb:reference><sb:reference id="bib414C5073s17"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>P.-H.</ce:given-name><ce:surname>Chavanis</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:e-host><ce:inter-ref xlink:role="http://www.elsevier.com/xml/linking-roles/preprint" xlink:href="arxiv:1604.05904" id="inf0040">arXiv:1604.05904</ce:inter-ref></sb:e-host></sb:host></sb:reference></ce:bib-reference><ce:bib-reference id="br0090"><ce:label>[9]</ce:label><sb:reference id="bib63617365s1"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>P.</ce:given-name><ce:surname>Sikivie</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Phys. Lett. B</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>695</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2011</sb:date></sb:issue><sb:pages><sb:first-page>22</sb:first-page></sb:pages></sb:host></sb:reference></ce:bib-reference><ce:bib-reference id="br0100"><ce:label>[10]</ce:label><sb:reference id="bib4475666679s1"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>L.</ce:given-name><ce:surname>Duffy</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>P.</ce:given-name><ce:surname>Sikivie</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Phys. Rev. D</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>78</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2008</sb:date></sb:issue><sb:article-number>063508</sb:article-number></sb:host></sb:reference></ce:bib-reference><ce:bib-reference id="br0110"><ce:label>[11]</ce:label><sb:reference id="bib7072656D6174757265s1"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>N.</ce:given-name><ce:surname>Banik</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>A.</ce:given-name><ce:surname>Christopherson</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>P.</ce:given-name><ce:surname>Sikivie</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>E.</ce:given-name><ce:surname>Todarello</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Phys. Rev. D</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>91</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2015</sb:date></sb:issue><sb:article-number>123540</sb:article-number></sb:host></sb:reference></ce:bib-reference><ce:bib-reference id="br0120"><ce:label>[12]</ce:label><sb:reference id="bib4665726D69s1"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>E.</ce:given-name><ce:surname>Fermi</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>J.</ce:given-name><ce:surname>Pasta</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>S.</ce:given-name><ce:surname>Ulam</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:comment>Los Alamos National Laboratory Report No. LA-1940</sb:comment><sb:host><sb:book class="report"><sb:date>1955</sb:date></sb:book></sb:host></sb:reference><sb:reference id="bib4665726D69s2"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>G.P.</ce:given-name><ce:surname>Berman</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>F.M.</ce:given-name><ce:surname>Israelev</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Chaos</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>15</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2001</sb:date></sb:issue><sb:article-number>015104</sb:article-number></sb:host></sb:reference></ce:bib-reference><ce:bib-reference id="br0130"><ce:label>[13]</ce:label><sb:reference id="bib617877616C6Cs1"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>P.</ce:given-name><ce:surname>Sikivie</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Phys. Rev. Lett.</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>48</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>1982</sb:date></sb:issue><sb:pages><sb:first-page>1156</sb:first-page></sb:pages></sb:host></sb:reference></ce:bib-reference><ce:bib-reference id="br0140"><ce:label>[14]</ce:label><sb:reference id="bib6178737472696E67s1"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>A.</ce:given-name><ce:surname>Vilenkin</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>A.E.</ce:given-name><ce:surname>Everett</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Phys. Rev. Lett.</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>48</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>1982</sb:date></sb:issue><sb:pages><sb:first-page>1867</sb:first-page></sb:pages></sb:host></sb:reference></ce:bib-reference><ce:bib-reference id="br0150"><ce:label>[15]</ce:label><sb:reference id="bib546B6163686576s1"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>I.I.</ce:given-name><ce:surname>Tkachev</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Phys. Lett. B</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>261</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>1991</sb:date></sb:issue><sb:pages><sb:first-page>289</sb:first-page></sb:pages></sb:host></sb:reference></ce:bib-reference><ce:bib-reference id="br0160"><ce:label>[16]</ce:label><sb:reference id="bib4461766964736F6Es1"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>S.</ce:given-name><ce:surname>Davidson</ce:surname></sb:author><sb:author><ce:given-name>T.</ce:given-name><ce:surname>Schwetz</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:issue><sb:series><sb:title><sb:maintitle>Phys. Rev. D</sb:maintitle></sb:title><sb:volume-nr>93</sb:volume-nr></sb:series><sb:date>2016</sb:date></sb:issue><sb:article-number>123509</sb:article-number></sb:host></sb:reference></ce:bib-reference><ce:bib-reference id="br0170"><ce:label>[17]</ce:label><sb:reference id="bib4D48s1"><sb:contribution><sb:authors><sb:author><ce:given-name>M.</ce:given-name><ce:surname>Hertzberg</ce:surname></sb:author></sb:authors></sb:contribution><sb:host><sb:e-host><ce:inter-ref xlink:role="http://www.elsevier.com/xml/linking-roles/preprint" xlink:href="arxiv:1609.01342" id="inf0050">arXiv:1609.01342</ce:inter-ref></sb:e-host></sb:host></sb:reference></ce:bib-reference></ce:bibliography-sec></ce:bibliography></tail></article>