量子溫度計可以測量比宇宙中最冷的地方還要冷十億倍的費米氣體

溫度計實際上是一種系統，它的物理性質隨溫度的變化而變化，且這種變化可以預測。例如，我們可以通過體溫計中水銀的膨脹來測量我們的體溫。現在，物理學家提出了一種基於量子糾纏的溫度計，這種溫度計可以精確地測量比外太空低十億倍的溫度，它是通過測量與量子氣體糾纏的單個原子的狀態而獲得的。

這些超冷的溫度在被稱為費米氣體的原子云中出現，這是科學家們為了研究物質在極端量子狀態下的行為而創造的。宇宙中所有的粒子被分為兩個類型，一種叫做玻色子，另一種叫做費米子。在非常低的溫度下，玻色子和費米子的行為完全不同。玻色子喜歡聚集在一起，而費米子卻恰恰相反，它們會互相排斥保持一定的距離，這種特性使得它們的溫度難以測量。

物理學家研究氣體的方法是通過其統計行為來進行的，這一方法的發明可以追溯到19世紀物理學家玻爾茲曼等人的身上。這些物理學家認為，氣體的宏觀現象，如溫度和壓力等，都可以從原子的微觀運動來理解。而大量原子的統計行為則構成了我們所見到的宏觀現象。

到了20世紀初，量子力學開始發展起來了，它是物理學中最重要和最精確的理論之一。量子力學中一個著名的預言是單個原子具有波狀特徵，這意味著在臨界溫度以下，它們可以與其他原子結合成具有奇異性質的單一宏觀波。這一預測導致了長達一個世紀的達到臨界溫度的實驗探索。20世紀90年代，第一批用雷射冷卻並用強磁場捕獲的超冷氣體終於獲得了成功，這項成就在2001年獲得了諾貝爾獎。

現在，實驗室裡製造出像這樣的超冷氣體已經是常規操作了。這些超冷氣體有許多用途，它們可以測試一些基本的物理理論，也可以用來探測引力波。這些氣體的溫度非常低，處於納開爾文量級，可以這麼說，這些氣體比宇宙中最冷的地方還要冷十億倍。

傳統上，超冷氣體的溫度是從它的密度推斷出來的：在較低的溫度下，原子沒有足夠的能量分散開來，使氣體更加緻密。但是即使在超低溫下，費米子總是相距甚遠，所以在某些時候費米氣體的密度與溫度無關。因此，物理學家提出了用不同種類的原子作為溫度探針的想法。

假設有一個由鋰原子組成的超冷氣體。你現在拿一個不同的原子，比如說鉀原子，然後把它浸入氣體中。與周圍原子的碰撞改變了你的鉀探針的狀態，這讓你有了推斷氣體溫度的依據。從技術上講，這種方法涉及到創造一種奇怪的量子疊加，這種疊加會隨著時間的推移發生變化，對溫度非常敏感。

這不僅僅是一個遙遠的想法，物理學家提出的方法實際上可以通過現代原子物理實驗室的技術來實現。在各種新興的量子技術中，像量子溫度計這樣的量子傳感器可能會產生最直接的影響。