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奇异量子物理系统:它既在“绝对零度”之下,又在“绝对高温”之上

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奇异量子物理系统:它既在“绝对零度”之下,又在“绝对高温”之上

雪花又一年 2018-05-03 15:13:00 浏览321 评论0

摘要: 温度能降到绝对零度以下吗?到时会发生什么?它会像“吃豆人(Pac-Man)”游戏那样,从温度计量的另一个极端再冒出来,变得无限热吗?嗯,某种程度上,这个看似古怪的概念在现有物理学中是很常见的。         最近发表在《物理评论快报(Physical Review Letters)》上的一篇论文描述了一个系统,在这个系统中,“负温度”被用来解释了现实物理世界中一个奇怪但真实的现象。

温度能降到绝对零度以下吗?到时会发生什么?它会像“吃豆人(Pac-Man)”游戏那样,从温度计量的另一个极端再冒出来,变得无限热吗?嗯,某种程度上,这个看似古怪的概念在现有物理学中是很常见的。


        最近发表在《物理评论快报(Physical Review Letters)》上的一篇论文描述了一个系统,在这个系统中,“负温度”被用来解释了现实物理世界中一个奇怪但真实的现象。

供图: Myriams-Fotos,通过Pixabay检索获得


        物理学家首次创造出了温度低于绝对零度的原子气体,他们采用的技术打开了一扇大门,能够创造出负K材料,制造出全新的量子器件,甚至能够帮助我们破解宇宙谜题。


        开尔文勋爵在19世纪初定义了绝对温标,在这种温标下,没有任何东西的温度能够低于绝对零度。物理学家后来意识到,气体的绝对温度与粒子的平均能量有关。绝对零度对应于粒子不携带任何能量这种理论状态,粒子的平均能量越高,对应的温度也就越高。


        然而,在20世纪50年代,研究更奇异物理系统的物理学家开始意识到,这种情况并不总是对的:从理论上讲,你是从一张能量分布图上读取一个系统的温度,这张分布图上标明了你能在系统中找到拥有特定能量粒子的几率。通常情况下,大多数粒子的能量都在平均能量附近,只有少数粒子会拥有更高的能量。德国慕尼黑大学的物理学家Ulrich Schneider解释说,理论上,如果这种局面被逆转,也就是更多的粒子拥有较高的能量,而不是较低的能量,这张图就会反转,对应温度的符号也会从正的绝对温度变成负的绝对温度。


        Schneider及其同事,利用由钾原子构成的超冷量子气体,把温度降到了这种“低于绝对零度”的状态。他们利用激光和磁场将一个个原子维持在某种网格分布的格点上。在正温度下,原子相互排斥,整个结构得以保持稳定。然而,研究小组迅速调整磁场,使原子变得彼此吸引而非相互排斥。“这使得那些原子在突然之间,在来不及做出反应之时,就从它们最稳定的、能量最低的状态,转变到了能量最高的状态,”Schneider说,“这就像是你正走在山谷底部,突然发现自己立于高山之巅。”


        在正温度下,这样的反转会使系统失衡,原子会向内坍塌。但这个小组还调整了囚禁激光场,使得那些原子仍然固定在它们的位置上。结果就是,原子气体的温度从绝对零度以上,变到了绝对零度以下几亿分之一度。这一结果被发表在《科学》杂志上。


        诺贝尔奖得主、美国麻省理工学院的物理学家Wolfgang Ketterle表示,这项最新研究堪称“实验绝技”,他此前曾在磁场系统中演示过负绝对温度。奇异的高能状态在正温度下很难在实验室中产生,在负绝对温度下却变得稳定了——用Ketterle的话说,“这就好像你可以让一座金字塔头朝下立起来,又不用担心它会翻倒”——因此这样的技术,让科学家可以细致地研究这些奇异的状态。Ketterle说,“这或许是在实验室里创造出全新物态的一种方法。”


        德国科隆大学的理论物理学家Achim Rosch说,这样的系统一旦建成,就会表现出奇异的特性。比如,Rosch及其同事计算表明,尽管在通常情况下,这团原子云会被重力向下拉扯,但如果部分原子云处在负的绝对温度,一些原子就会向上移动,明显在藐视重力。


        低于绝对零度的气体还有另一项怪癖:它们能够模仿“暗能量”,也就是对抗引力推动宇宙越膨胀越快的神秘力量。Schneider指出,他们在气体原子之间产生出来的吸引力也想让整个系统向内坍缩,但系统没有坍缩,因为负的绝对温度使它们稳定了下来。“这种奇怪的特性出现在宇宙之中,也出现在实验室里,这很有趣,”他说,“这或许是宇宙学家应该更仔细来审视一下的东西。”


原文发布时间为:2017-12-11
本文作者:量子君
本文来源:量子科学,如需转载请联系原作者。

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