量子氣體降至絕對零度以下

物理學(xué)家首次創(chuàng)造出了溫度低于絕對零度的原子氣體，他們采用的技術(shù)打開了一扇大門，能夠創(chuàng)造出負(fù)K材料，制造出全新的量子器件，甚至能夠幫助我們破解宇宙謎題。

開爾文勛爵在19世紀(jì)初定義了絕對溫標(biāo)，在這種溫標(biāo)下，沒有任何東西的溫度能夠低于絕對零度。物理學(xué)家后來意識到，氣體的絕對溫度與粒子的平均能量有關(guān)。絕對零度對應(yīng)于粒子不攜帶任何能量這種理論狀態(tài)，粒子的平均能量越高，對應(yīng)的溫度也就越高。

然而，在20世紀(jì)50年代，研究更奇異物理系統(tǒng)的物理學(xué)家開始意識到，這種情況并不總是對的：從理論上講，你是從一張能量分布圖上讀取一個系統(tǒng)的溫度，這張分布圖上標(biāo)明了你能在系統(tǒng)中找到擁有特定能量粒子的幾率。通常情況下，大多數(shù)粒子的能量都在平均能量附近，只有少數(shù)粒子會擁有更高的能量。德國慕尼黑大學(xué)的物理學(xué)家Ulrich Schneider解釋說，理論上，如果這種局面被逆轉(zhuǎn)，也就是更多的粒子擁有較高的能量，而不是較低的能量，這張圖就會反轉(zhuǎn)，對應(yīng)溫度的符號也會從正的絕對溫度變成負(fù)的絕對溫度。

Schneider及其同事，利用由鉀原子構(gòu)成的超冷量子氣體，把溫度降到了這種“低于絕對零度”的狀態(tài)。他們利用激光和磁場將一個個原子維持在某種網(wǎng)格分布的格點上。在正溫度下，原子相互排斥，整個結(jié)構(gòu)得以保持穩(wěn)定。然而，研究小組迅速調(diào)整磁場，使原子變得彼此吸引而非相互排斥?！斑@使得那些原子在突然之間，在來不及做出反應(yīng)之時，就從它們最穩(wěn)定的、能量最低的狀態(tài)，轉(zhuǎn)變到了能量最高的狀態(tài)，”Schneider說，“這就像是你正走在山谷底部，突然發(fā)現(xiàn)自己立于高山之巔?！?/p>

在正溫度下，這樣的反轉(zhuǎn)會使系統(tǒng)失衡，原子會向內(nèi)坍塌。但這個小組還調(diào)整了囚禁激光場，使得那些原子仍然固定在它們的位置上。結(jié)果就是，原子氣體的溫度從絕對零度以上，變到了絕對零度以下幾億分之一度。這一結(jié)果被發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

諾貝爾獎得主、美國麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家Wolfgang Ketterle表示，這項最新研究堪稱“實驗絕技”，他此前曾在磁場系統(tǒng)中演示過負(fù)絕對溫度。奇異的高能狀態(tài)在正溫度下很難在實驗室中產(chǎn)生，在負(fù)絕對溫度下卻變得穩(wěn)定了——用Ketterle的話說，“這就好像你可以讓一座金字塔頭朝下立起來，又不用擔(dān)心它會翻倒”——因此這樣的技術(shù)，讓科學(xué)家可以細(xì)致地研究這些奇異的狀態(tài)。Ketterle說，“這或許是在實驗室里創(chuàng)造出全新物態(tài)的一種方法?！?/p>

德國科隆大學(xué)的理論物理學(xué)家Achim Rosch說，這樣的系統(tǒng)一旦建成，就會表現(xiàn)出奇異的特性。比如，Rosch及其同事計算表明，盡管在通常情況下，這團(tuán)原子云會被重力向下拉扯，但如果部分原子云處在負(fù)的絕對溫度，一些原子就會向上移動，明顯在藐視重力。

低于絕對零度的氣體還有另一項怪癖：它們能夠模仿“暗能量”，也就是對抗引力推動宇宙越膨脹越快的神秘力量。Schneider指出，他們在氣體原子之間產(chǎn)生出來的吸引力也想讓整個系統(tǒng)向內(nèi)坍縮，但系統(tǒng)沒有坍縮，因為負(fù)的絕對溫度使它們穩(wěn)定了下來?！斑@種奇怪的特性出現(xiàn)在宇宙之中，也出現(xiàn)在實驗室里，這很有趣，”他說，“這或許是宇宙學(xué)家應(yīng)該更仔細(xì)來審視一下的東西?！?/p>

原文：http://www.nature.com/news/quantum-gas-goes-below-absolute-zero-1.12146