http://www.sciencehuman.com 科学人 网站 2013-01-09
借助量子物理学，科学家们首次实现低于绝对零度的物质状态
新浪科技讯 北京时间1月5日消息，据《自然》杂志网站报道，尽管听起来可能有些让人感觉难以置信，但物理学家们近期真的制造出了一种原子气体，其温度低于绝对零度。他们所开创的这项技术将有望创造出具有“负温度”的物质材料并发展出相应的新型量子态，甚至还将有可能解答有关我们这个宇宙的基本谜团。
开尔文爵士在19世纪中叶最先定义了绝对零度的概念，指出任何物质的温度都不可能低于这一温度极限，即绝对零度。后来，物理学家们意识到气体的绝对零度定义与其中所含有粒子的平均能量有关。绝对零度所对应的状态也就是粒子失去全部能量因而完全无法运动时的温度。当温度上升，气体粒子获得能量，于是其活动也逐渐加剧。
然而到了20世纪50年代，研究某些特殊性质物质的物理学家们逐渐意识到事情可能并不完全如此。乌尔·施耐德(Ulrich Schneider)是德国慕尼黑大学的一位物理学家，他表示：严格意义上说，当你查看一个系统的温度值时，你所查看的图标所标示出的是处于某一能量状态的粒子有可能被观察到的概率。正常情况下大部分粒子的能量值都会处于或接近整体的平均位置附近，只有很小一部分粒子是例外。理论上来说，如果这一情形倒转，更多的粒子获得更高的能量而不是降低其能量，那么整个你所观察的温度计读数就必须跟着整个颠倒过来，而你所读出的温度值也应该从正数变成负数。
谷地和山巅
施耐德和他的同事们使用一种超冷却的量子态气体实现了低于绝对零度的创举，这些量子气体的主要成分是钾原子。借助激光和磁场，他们得以将单个的原子排布成栅格形状。当温度高于绝对零度时，原子之间相互排斥，从而确保持整个图案结构的稳定性。随后研究小组迅速调整其中的磁场，此时这些原子之间不再相互排斥而是相互吸引。施耐德说：“这突如其来的变故让这些原子不再能保持其原有的最稳定的最低能态，瞬间变成了最高的能态，速度之快甚至这些原子都来不及做出反应。”他说：“这就像是你行走在一座峡谷之中，然而在一瞬间突然发现自己身处山巅。”
当温度为正时，这种瞬间转变是不能维持稳定的，原子图案会坍塌并相互靠拢。但是研究小组对激光也进行相应调整，使之赋予原子更多的能量，从而稳定地保持在原有的位置上。这样的结果是，正如近日发表在《科学》杂志上的文章中所描述的那样，标志着这些气体物质从刚刚高过绝对零度的状态瞬间转变至低于绝对零度数十亿分之一度的水平上。
沃尔夫冈·凯特勒(Wolfgang Ketterle)是美国麻省理工学院的诺贝尔物理学奖获得者，他曾经演示过在一个磁场中构建一个低于绝对零度情形的演示实验。而对于此次的这项工作，他评价其是“绝妙的实验”——在正温度情况下在实验室中难以获得的高能态在负温度情形下就变得稳定了。他说：“这就像是你站在一座金字塔的顶端，而整座金字塔却翻转过来了”因此这项技术将让科学家们得以对这些奇异的状态开展详细研究。他说：“这或许是一项可以在实验室中合成新物质的技术。”
阿什米·罗赫(Achim Rosch)是德国科隆大学的一位理论物理学家，此番施耐德教授的研究小组所使用的一项技术便是罗赫最早提出来的。他表示，一旦这项技术被投入应用，其所制造出来的物质将会具备一些非常奇特的性质。举例而言，罗赫和他的同事们曾经计算过，一般情况下由原子组成的云会在引力作用下向下沉，然而如果这股云朵之中有一部分具有负温度，那么其中一些原子将会反过来向上运动，很明显地违背引力定律。
这种具有负温度的物质还有另外一个让人浮想联翩的点，那就是它的这些性质和神秘的“暗能量”非常相似，这种神秘的力量推动着宇宙向外加速膨胀，它所施加的外向推力超过了宇宙中的物质原子施加的收缩引力。施耐德指出，在实验中那些气体原子同样试图向内收缩，然而由于负温度物质的阻滞作用而未能达成。施耐德表示：“这真的非常有趣，这种神秘的宇宙性质会在我们实验室中出现。我想这或许便是宇宙学家们长期以来所要搜寻的答案。”(晨风)
《自然》杂志网站原文链接：http://www.nature.com/news/quantum-gas-goes-below-absolute-zero-1.12146
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