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2013-1-5 閱讀(1445)
據(jù)《自然》雜志1月3日報道，德國物理學家用鉀原子造出一種低于零度的量子氣體?？茖W家稱這一成果為“實驗的絕技”，為將來造出負溫度物質(zhì)、新型量子設(shè)備打開了大門，有助于揭開宇宙中的許多奧密。
18世紀中期，開爾文男爵威廉·湯姆森定義了溫度，在此規(guī)定下沒有物質(zhì)的溫度能低于零度。氣體的溫度與它所包含粒子的平均能量有關(guān)，溫度越高，平均能量越高，而零度是氣體的所有粒子能量都為零的狀態(tài)，這是一種理想的理論狀態(tài)。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(zhì)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)這一理論并不*正確。
慕尼黑路德維格·馬克西米利安大學物理學家烏爾里奇·施奈德解釋說，從技術(shù)上講，人們能從一條溫度曲線上讀出一系列溫度數(shù)，但這些數(shù)字表示的只是它所含的粒子處于某個能量狀態(tài)的概率。通常，大部分粒子的能態(tài)處于平均或接近平均水平，只有少數(shù)粒子在更高能態(tài)上下。理論上，如果這種位置倒轉(zhuǎn)，使多數(shù)粒子處于高能態(tài)而少數(shù)粒子在低能態(tài)，溫度曲線也會反過來，溫度將從正到負，低于零度。2001年諾貝爾物理學獎獲得者沃爾夫?qū)?middot;克特勒也曾證明，在磁場系統(tǒng)中存在負溫度。
施奈德和同事用鉀原子超冷量子氣體實現(xiàn)了這種負零度。他們用激光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(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。然后他們迅速改變磁場，使原子變成相互吸引而不是排斥。施奈德說：“這種突然的轉(zhuǎn)換，使原子還來不及反應(yīng)，就從它們zui穩(wěn)定的狀態(tài)，也就是zui低能態(tài)突然跳到可能達到的zui高能態(tài)。就像你正在過山谷，突然發(fā)現(xiàn)已在山峰。”
在正溫度下，這種逆轉(zhuǎn)是不穩(wěn)定的，原子會向內(nèi)坍塌。他們也同時調(diào)整勢阱激光場，增強能量將原子穩(wěn)定在原位。這樣一來，氣體就實現(xiàn)了從高于零度到低于零度的轉(zhuǎn)變，約在負十億分之幾開氏度。
克特勒現(xiàn)任美國麻省理工大學物理教授，他稱此成果為一項“實驗的絕技”。在實驗室里，反常高能態(tài)在正溫度下是很難產(chǎn)生的，而在負溫度下卻會變得穩(wěn)定——“就像你能把一個金字塔倒過來穩(wěn)穩(wěn)的放著，而不必擔心它會倒。”克特勒指出，該技術(shù)使人們能詳細研究這些反常高能態(tài)，“也可能成為創(chuàng)造新物質(zhì)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(zhì)系統(tǒng)，它們會表現(xiàn)出奇特的行為。根據(jù)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，如果一部分云處于負溫度，某些原子就會向上運動，明顯違背重力作用。
負溫度氣體還能模擬“暗能量”。暗能量是推動宇宙加速膨脹、抵抗萬有引力內(nèi)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(nèi)坍塌趨勢，但負溫度卻能遏制它們向內(nèi)運動而保持穩(wěn)定。這種宇宙中普遍存在的奇特現(xiàn)象如今也能在實驗室看到，值得宇宙學家進一步研究。
