NASA冷原子實驗室的最低溫度或許會開闢量子物理學新篇章

2020-12-03 瀟泗兒

絕對零度(absolute zero)是熱力學的最低溫度,是粒子動能低到量子力學最低點時物質的溫度。絕對零度是僅存於理論的下限值,其熱力學溫標寫成K,等於攝氏溫標零下273.15度(-273.15℃)。

物質的溫度取決於其內原子、分子等粒子的動能。根據麥克斯韋-玻爾茲曼分布,粒子動能越高,物質溫度就越高。理論上,若粒子動能低到量子力學的最低點時,物質即達到絕對零度,不能再低。然而,根據熱力學第二定律,絕對零度永遠無法達到,只可無限逼近。因為任何空間必然存有能量和熱量,也不斷進行相互轉換而不消失。所以絕對零度是不存在的,除非該空間自始即無任何能量熱量。在此一空間,所有物質完全沒有粒子振動,其總體積並且為零。

液氮與冷原子云,已經誕生許久,而已應用於世界上諸多理論研究中來。然而就是這人造的可急速的創造極低溫度的產物仍然不算什麼,人類堅信的科學無極限即將被寫傷心額篇章。而全人類從前認為的極低溫度的粒子動能上的最低溫度也即將被打破,再次前人類已知的最低溫度幾乎是不可能被達到的只存在於理論中的-273.15℃。也是限制於人類科技含量的最大的物理學疆域。

然而由於在地球上由於地球中立的影響,重力會影響到控制冷原子 導致冷原子會被拖向地面,並迅速地超出實驗的界限,導致在觀測冷原子的時間極少最多不超過2秒的速度,這樣就會對實驗的觀察有著非常的困擾。而在太空中則可以有效地觀察更久的時間,甚至可以長達5秒至110秒。

僅僅只是多了極短的幾秒鐘而已,但是科學家卻可以給原子重新施加磁場並且可以使得溫度降到極限的幾皮開甚至更低。然而在太空中進行這項實驗的最大困難則是要將在地面上的一個房間大的儀器設備做到最小化,甚至僅僅只是裝在一個小盒裡。

這項任務的起止時間從理論到研究再到模型的建立並確認方案與實施的事件歷程為2012年至2020年,僅僅是把數個科學設備裝進多個模塊中就花了三年的事件。並用運載火箭運送到國際空間站。

對於量子效應來說,目前或許只是剛剛開始 ,物理學家終於可以開始探索物理疆域上的邊界的極寒世界,觀察物質在其中的表現了。在極低溫環境下,物質會呈現出一種奇特的狀態,那就是玻色-愛因斯坦凝聚——這個名字來自1924年對這種狀態進行理論描述的兩位著名物理學家。隨著溫度不斷降低,粒子的波長不斷增加,物質的波動性愈發突出,量子效應將在微觀尺度上顯現……

並且該項研究的實質性的突破在於或許可以更加真實的窺探到宇宙的奧義,第一則是可以基本驗證伽利略的等效原理,伽利略則為了驗證這一原理在高高的尖塔上將物體同時釋放,而物理科學家則可以在太空中同時釋放兩個不同的原子來測量它們的墜落時差,如果測量的足夠精確,或許就會發現等效不成立。並且這次實驗還可以重新挑戰另一個巨大的謎團,並可以有效的側狼幾乎所有理論都常識解讀的暗能量場的謎題。而可以重新解釋科學家們最新猜測的宇宙中的作用於物質的第五種基本力—變色龍場。

該項研究的精度是相當的精確的,或許可以幫人類探明與變色龍場相關的所有微小加速度。未來實驗將會藉助這些高精度新工具探索宇宙的奧秘,我們的空間實驗室不過是個引子!

浩瀚宇宙最大謎團的答案,或許就蘊藏在這位於地球軌道上的一小團極寒原子云中……

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