研究出新原子氣體 比絕對零度還要底

  儘管聽起來可能有些讓人感覺難以置信,但物理學家們近期真的製造出了一種原子氣體,其溫度低於絕對零度。他們所開創的這項技術將有望創造出具有“負溫度”的物質材料並發展出相應的新型量子態,甚至還將有可能解答有關我們這個宇宙的基本謎團。

  開爾文爵士在19世紀中葉最先定義了絕對零度的概念,指出任何物質的溫度都不可能低於這一溫度極限,即絕對零度。後來,物理學家們意識到氣體的絕對零度定義與其中所含有粒子的平均能量有關。絕對零度所對應的狀態也就是粒子失去全部能量因而完全無法運動時的溫度。當溫度上升,氣體粒子獲得能量,於是其活動也逐漸加劇。

  然而到了20世紀50年代,研究某些特殊性質物質的物理學家們逐漸意識到事情可能並不完全如此。烏爾·施耐德(Ulrich Schneider)是德國慕尼黑大學的一位物理學家,他表示:嚴格意義上說,當你查看一個系統的溫度值時,你所查看的圖標所標示出的是處於某一能量狀態的粒子有可能被觀察到的概率。

絕對零度

  正常情況下大部分粒子的能量值都會處於或接近整體的平均位置附近,只有很小一部分粒子是例外。理論上來說,如果這一情形倒轉,更多的粒子獲得更高的能量而不是降低其能量,那麼整個你所觀察的溫度計讀數就必須跟著整個顛倒過來,而你所讀出的溫度值也應該從正數變成負數。

  谷地和山巔

  施耐德和他的同事們使用一種超冷卻的量子態氣體實現了低於絕對零度的創舉,這些量子氣體的主要成分是鉀原子。借助激光和磁場,他們得以將單個的原子排布成柵格形狀。當溫度高於絕對零度時,原子之間相互排斥,從而確保持整個圖案結構的穩定性。隨後研究小組迅速調整其中的磁場,此時這些原子之間不再相互排斥而是相互吸引。

  施耐德說:“這突如其來的變故讓這些原子不再能保持其原有的最穩定的最低能態,瞬間變成了最高的能態,速度之快甚至這些原子都來不及做出反應。”他說:“這就像是你行走在一座峽谷之中,然而在一瞬間突然發現自己身處山巔。”

  當溫度為正時,這種瞬間轉變是不能維持穩定的,原子圖案會坍塌並相互靠攏。但是研究小組對激光也進行相應調整,使之賦予原子更多的能量,從而穩定地保持在原有的位置上。這樣的結果是,正如近日發表在雜誌上的文章中所描述的那樣,標誌著這些氣體物質從剛剛高過絕對零度的狀態瞬間轉變至低於絕對零度數十億分之一度的水平上。

  沃爾夫岡·凱特勒(Wolfgang Ketterle)是賣國麻省理工學院的諾貝爾物理學獎獲得者,他曾經演示過在一個磁場中構建一個低於絕對零度情形的演示實驗。而對於此次的這項工作,他評價其是“絕妙的實驗”——在正溫度情況下在實驗室中難以獲得的高能態在負溫度情形下就變得穩定了。他說:“這就像是你站在一座金字塔的頂端,而整座金字塔卻翻轉過來了”因此這項技術將讓科學家們得以對這些奇異的狀態開展詳細研究。他說:“這或許是一項可以在實驗室中合成新物質的技術。”

  阿什米·羅赫(Achim Rosch)是德國科隆大學的一位理論物理學家,此番施耐德教授的研究小組所使用的一項技術便是羅赫最早提出來的。他表示,一旦這項技術被投入應用,其所製造出來的物質將會具備一些非常奇特的性質。

原子能量圖

  舉例而言,羅赫和他的同事們曾經計算過,一般情況下由原子組成的雲會在引力作用下向下沉,然而如果這股雲朵之中有一部分具有負溫度,那麼其中一些原子將會反過來向上運動,很明顯地違背引力定律。

  這種具有負溫度的物質還有另外一個讓人浮想聯翩的點,那就是它的這些性質和神秘的“暗能量”非常相似,這種神秘的力量推動著宇宙向外加速膨脹,它所施加的外向推力超過了宇宙中的物質原子施加的收縮引力。施耐德指出,在實驗中那些氣體原子同樣試圖向內收縮,然而由於負溫度物質的阻滯作用而未能達成。施耐德表示:“這真的非常有趣,這種神秘的宇宙性質會在我們實驗室中出現。我想這或許便是宇宙學家們長期以來所要搜尋的答案。”




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