德國科學家造出低於絕對零度的量子氣體
2020-12-08 觀察者網
《自然》雜誌網站1月3日的報導
據《自然》雜誌網站1月3日報導，德國物理學家用鉀原子首次造出一種低於絕對零度的量子氣體。科學家稱這一成果為「實驗的絕技」，為將來造出負溫度物質、新型量子設備打開了大門，有助於揭開宇宙中的許多奧密。
18世紀中期，開爾文男爵威廉·湯姆森定義了絕對溫度，在此規定下沒有物質的溫度能低於絕對零度。氣體的絕對溫度與它所包含粒子的平均能量有關，溫度越高，平均能量越高，而絕對零度是氣體的所有粒子能量都為零的狀態，這是一種理想的理論狀態。到了上世紀50年代，物理學家在研究中遇到了更多反常的物質系統，發現這一理論並不完全正確。
慕尼黑路德維格·馬克西米利安大學物理學家烏爾裡奇·施奈德解釋說，從技術上講，人們能從一條溫度曲線上讀出一系列溫度數，但這些數字表示的只是它所含的粒子處於某個能量狀態的概率。通常，大部分粒子的能態處於平均或接近平均水平，只有少數粒子在更高能態上下。理論上，如果這種位置倒轉，使多數粒子處於高能態而少數粒子在低能態，溫度曲線也會反過來，溫度將從正到負，低於絕對零度。2001年諾貝爾物理學獎獲得者沃爾夫岡·克特勒也曾證明，在磁場系統中存在負絕對溫度。
施奈德和同事用鉀原子超冷量子氣體實現了這種負絕對零度。他們用雷射和磁場將單個原子保持晶格排列。在正溫度下，原子之間的斥力使晶格結構保持穩定。然後他們迅速改變磁場，使原子變成相互吸引而不是排斥。施奈德說：「這種突然的轉換，使原子還來不及反應，就從它們最穩定的狀態，也就是最低能態突然跳到可能達到的最高能態。就像你正在過山谷，突然發現已在山峰。」
在正溫度下，這種逆轉是不穩定的，原子會向內坍塌。他們也同時調整勢阱雷射場，增強能量將原子穩定在原位。這樣一來，氣體就實現了從高於絕對零度到低於絕對零度的轉變，約在負十億分之幾開氏度。
克特勒現任美國麻省理工大學物理教授，他稱此最新成果為一項「實驗的絕技」。在實驗室裡，反常高能態在正溫度下是很難產生的，而在負絕對溫度下卻會變得穩定——「就像你能把一個金字塔倒過來穩穩的放著，而不必擔心它會倒。」克特勒指出，該技術使人們能詳細研究這些反常高能態，「也可能成為創造新物質形式的一條途徑。」
德國科隆大學理論物理學家阿希姆·羅施說，如果真能造出這些物質系統，它們會表現出奇特的行為。根據和他的同事計算，正常情況下原子云受重力影響會被向下拉，如果一部分雲處於負絕對溫度，某些原子就會向上運動，明顯違背重力作用。
負絕對溫度氣體還能模擬「暗能量」。暗能量是推動宇宙加速膨脹、抵抗萬有引力內向拉力的力量。施奈德指出，在他們生成的氣體中，相互吸引的原子也有向內坍塌趨勢，但負絕對溫度卻能遏制它們向內運動而保持穩定。這種宇宙中普遍存在的奇特現象如今也能在實驗室看到，值得宇宙學家進一步研究。
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