測量宇宙溫度的新方法被發現，人類對神秘宇宙的了解更近一步

都柏林三一學院的物理學家提出了一種基於量子糾纏的溫度計，該溫度計可以精確測量比外層空間溫度低十億倍的溫度。

這些超冷溫度出現在原子云（稱為費米氣體）中，科學家們通過研究這些雲來研究物質在極端量子態下的行為。

Trinity QuSys小組負責人Goold教授在討論該提案時，解釋了什麼是超冷氣體。他說：

「最開始溫度測量的方法，為物理學家思考氣體的標準方法是使用一種稱為統計力學的理論。該理論是19世紀的麥克斯韋和玻爾茲曼等物理學巨人發明的。這些是復興時期希臘哲學家的古老觀念。可以通過原子的微觀運動來理解諸如壓力和溫度之類的宏觀現象。當時，由原子構成物質的想法是革命性的。」

「在20世紀初，另一種理論誕生了。這是量子力學，它可能是我們在物理學中擁有的最重要和最精確的理論。量子力學的一個著名預測是單原子具有波狀特徵，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特性質的單個宏觀波，這一預測導致了長達一個世紀的實驗性探索以達到臨界溫度，最終在90年代創造了成功。第一種超冷氣體，用雷射冷卻（1997年諾貝爾獎）並被強磁場捕獲-這一壯舉獲得了2001年諾貝爾獎。」

「像這樣的超低溫氣體現在已在全世界的實驗室中製造，它們具有許多用途，從測試基本的物理理論到檢測引力波。但是，它們的溫度在納克爾文及以下的溫度低得令人難以置信！這只是一個簡單的想法。 ，在熱力學溫標中，開爾文的稱絕對0度是-271.15攝氏度。這些費米氣體的溫度比宇宙溫度低十億倍，它們是宇宙中最冷的地方產生的。」

那麼費米氣體到底是什麼？

「宇宙中的所有粒子，包括原子，都屬於「玻色子」和「費米子」兩種類型。費米氣體包含以物理學家恩裡科·費米命名的費米子。在非常低的溫度下，玻色子和費米子的行為完全不同。玻色子喜歡聚在一起，而費米子則相反。它們是終極的社交距離！此屬性實際上使它們的溫度難以測量。」

該論文的第一作者Mark Mitchison博士解釋說：

「傳統上，超冷氣體的溫度是從其密度推斷出來的：在較低的溫度下，原子沒有足夠的能量擴散開來，使氣體密度更高。但是，即使在超低溫下，費米子也始終保持距離，所以在某些時候，費米氣體的密度與溫度無關。」

「相反，我們建議使用另一種原子作為探針。假設您有一個由鋰原子構成的超冷氣體。現在您將一個不同的原子（例如鉀）浸入該氣體中。周圍的原子會改變鉀離子探針的狀態，從而可以推斷溫度，從技術上講，我們的建議涉及創建量子疊加：一種怪異的狀態，探針原子同時與氣體發生相互作用，而不會與氣體發生相互作用。疊加會以對溫度非常敏感的方式隨時間變化。」

Giacomo Guarnieri博士給出了以下比喻：

「溫度計只是一個系統，其物理特性會以可預測的方式隨溫度變化。例如，您可以通過測量玻璃管中汞的膨脹來獲取身體的溫度。我們的溫度計以類似的方式工作，但是對於汞，我們測量與量子氣體糾纏（或相關）的單個原子的狀態。」

UCD的Steve Campbell教授說：

「這不僅是一個遙不可及的想法-我們在這裡提出的建議實際上可以使用現代原子物理學實驗室中可用的技術來實現。可以測試這種基本物理學確實令人驚奇。在各種新興的量子技術中，量子像我們的溫度計這樣的傳感器可能會產生最直接的影響，因此這是一項及時的工作，因此，《Physical Review Letters》的編輯著重指出了這一點。」

戈爾德教授補充說：

「事實上，支持這項理論的原因之一就是我們進行了計算和數值模擬，尤其側重於幾年前在奧地利進行並在《科學》雜誌上發表的一項實驗。費米氣體是一種稀薄氣體捕獲了與鉀雜質接觸的鋰原子。實驗人員能夠使用射頻脈衝控制量子態並測量出氣體信息。這些是其他量子技術中常規使用的操作。」

「該計量方法可訪問的長度非常驚人，並且在傳統的凝聚態物理實驗中將是空前的。我們很興奮能夠將這些物質用作具有精密精度的量子溫度計上，並且通過現有技術來實施和測試。」

來源：

都柏林三一學院

你知道宇宙中最低溫度是多少嗎？