绝对零度“之下”

绝对零度“之下” 绝对零度“之下” ——科学家造出低于绝对零度的量子气体 据《自然》杂志网站1月3日报道，德国物理学家用钾原子首次造出一种低于绝对零度的量子气体。科学家称这一成果为“实验的绝技”，为将来造出负温度物质、新型量子设备打开了大门，有助于揭开宇宙中的许多奥密。 实验成果发表到《Science》上以后，被媒体解读的有些跑偏。因为媒体都从新闻报道解读，而写新闻的编辑一般是引导读者读原文，会写得很简明。于是一层一层传下去，不免让人以为“负温度”成了“负能量”，成了“低于绝对零度”。把一个好好的实验宣传成了违反物理定律的软科幻,那么小编在这里就简单为大家介绍一下什么是“负的温度”。 要想理解什么是负温度，首先要理解温度这个概念: 18世纪中期，开尔文男爵威廉?汤姆森定义了绝对温度，在此规定下没有物质的温度能低于绝对零度。气体的绝对温度与它所包含粒子的平均能量有关，温度越高，平均能量越高，而绝对零度是气体的所有粒子能量都为零的状态，这是一种理想的理论状态。到了上世纪50年代，物理学家在研究中遇到了更多反常的物质系统，发现这一理论并不完全正确。 这也就是说从0到+?的开氏温标不能描述所有系统的状态，所以我们说温度在达到正无穷之后还有一种状态，那就是我们今天的主角“负温度”。这也就是说，负温度是比+?还高的温度。 那么这一看似自相矛盾的结论应该如何理解呢, 我们都知道，通常所说的温度与原子的运动状态联系在一起。随着温度的升高，原子的能量也升高，原子运动得就会激烈，无序度就会增高。在低温时，高能量原子的数目总是少于低能量原子的数目，所以随着温度的升高，高能量原子数目逐渐增多，原子的混乱度也随之增加。而当所有原子的能量无限增大后，这时高能量原子的数目就会多于低能量原子的数目，随之会出现一个反常的现象，那就是原子的混乱度会随着温度的继续升高而降低，变无序为有序。这种情形可以用一个例子来形象地说明:地上有一把摆得很整齐的筷子，当有外力作用时，它们就会混乱起来，有的斜着，有的立着，有的悬在空中,当外力继续作用时，很可能所有的筷子瞬间都立了起来，这时，原来的无序状态就消失了,这时的状态就是负温度状态。 但是，负温度不是描述宏观物体状态的概念，它是描述微观粒子能量反转状态的数学表述,这一概念的提出在物理学史上经历了30多年。早在1917年，爱因斯坦在研究黑体辐射对气体平衡计算时，发现辐射具有两种形式，自发辐射和受激辐射，从而提出了受激辐射的理论。1928年，德国的兰登伯在研究氖气色散现象时，发现激发电流超过一定值时，氖气的反常色散效应增强，这个实验实际上间接证实了受激辐射的存在，也直接给出了受激辐射的发生条件是实现粒子数反转。粒子数反转这一思想至关重要，然而在当时人们的心目中，认为这是不可思议的，因为在热平衡条件下，低能级粒子数总要比高能级粒子数多，实现粒子数反转就等于要破坏热平衡。因此粒子数反转思想未能引起更多人的注意。直到1951年，美国物理学家珀塞尔首先提出“负温度”概念，并把粒子数反转称为“负温度”状态。 慕尼黑路德维格?马克西米利安大学物理学家乌尔里奇?施奈德解释说，从技术上讲，人们能从一条温度曲线上读出一系列温度数，但这些数字表示的只是它所含的粒子处于某个 能量状态的概率。通常，大部分粒子的能态处于平均或接近平均水平，只有少数粒子在更高能态上下。理论上，如果这种位置倒转，使多数粒子处于高能态而少数粒子在低能态，温度曲线也会反过来，温度将从正到负，低于绝对零度。2001年诺贝尔物理学奖获得者沃尔夫冈?克特勒也曾证明，在磁场系统中存在负绝对温度。 施奈德和同事用钾原子超冷量子气体实现了这种负绝对零度,他们用激光和磁场将单个原子保持晶格排列。在正温度下，原子之间的斥力使晶格结构保持稳定,然后他们迅速改变磁场，使原子变成相互吸引而不是排斥。施奈德说:“这种突然的转换，使原子还来不及反应，就从它们最稳定的状态，也就是最低能态突然跳到可能达到的最高能态。就像你正在过山谷，突然发现已在山峰。” 在正温度下，这种逆转是不稳定的，原子会向内坍塌,他们也同时调整势阱激光场，增强能量将原子稳定在原位。这样一来，气体就实现了从高于绝对零度到低于绝对零度的转变，约在负十亿分之几开氏度。 克特勒现任美国麻省理工大学物理教授，他称此最新成果为一项“实验的绝技”。在实验室里，反常高能态在正温度下是很难产生的，而在负绝对温度下却会变得稳定——“就像你能把一个金字塔倒过来稳稳的放着，而不必担心它会倒。”克特勒指出，该技术使人们能详细研究这些反常高能态，“也可能成为创造新物质形式的一条途径。” 德国科隆大学理论物理学家阿希姆?罗施说，如果真能造出这些物质系统，它们会表现出奇特的行为。根据和他的同事计算，正常情况下原子云受重力影响会被向下拉，如果一部分云处于负绝对温度，某些原子就会向上运动，明显违背重力作用。 负绝对温度气体还能模拟“暗能量”,暗能量是推动宇宙加速膨胀、抵抗万有引力内向拉力的力量。施奈德指出，在他们生成的气体中，相互吸引的原子也有向内坍塌趋势，但负绝对温度却能遏制它们向内运动而保持稳定。这种宇宙中普遍存在的奇特现象如今也能在实验室看到，值得宇宙学家进一步研究。