奇異量子實體系統：它既在“絕對零度”之下，又在“絕對高溫”之上

溫度能降到絕對零度以下嗎？到時會發生什麼？它會像“吃豆人（Pac-Man）”遊戲那樣，從溫度計量的另一個極端再冒出來，變得無限熱嗎？嗯，某種程度上，這個看似古怪的概念在現有實體學中是很常見的。

        最近發表在《實體評論快報（Physical Review Letters）》上的一篇論文描述了一個系統，在這個系統中，“負溫度”被用來解釋了現實實體世界中一個奇怪但真實的現象。

供圖： Myriams-Fotos，通過Pixabay檢索獲得

        實體學家首次創造出了溫度低于絕對零度的原子氣體，他們采用的技術打開了一扇大門，能夠創造出負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。

        開爾文勳爵在19世紀初定義了絕對溫标，在這種溫标下，沒有任何東西的溫度能夠低于絕對零度。實體學家後來意識到，氣體的絕對溫度與粒子的平均能量有關。絕對零度對應于粒子不攜帶任何能量這種理論狀态，粒子的平均能量越高，對應的溫度也就越高。

        然而，在20世紀50年代，研究更奇異實體系統的實體學家開始意識到，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的溫度，這張分布圖上标明了你能在系統中找到擁有特定能量粒子的幾率。通常情況下，大多數粒子的能量都在平均能量附近，隻有少數粒子會擁有更高的能量。德國慕尼黑大學的實體學家Ulrich Schneider解釋說，理論上，如果這種局面被逆轉，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，對應溫度的符号也會從正的絕對溫度變成負的絕對溫度。

        Schneider及其同僚，利用由鉀原子構成的超冷量子氣體，把溫度降到了這種“低于絕對零度”的狀态。他們利用雷射和磁場将一個個原子維持在某種網格分布的格點上。在正溫度下，原子互相排斥，整個結構得以保持穩定。然而，研究小組迅速調整磁場，使原子變得彼此吸引而非互相排斥。“這使得那些原子在突然之間，在來不及做出反應之時，就從它們最穩定的、能量最低的狀态，轉變到了能量最高的狀态，”Schneider說，“這就像是你正走在山谷底部，突然發現自己立于高山之巅。”

        在正溫度下，這樣的反轉會使系統失衡，原子會向内坍塌。但這個小組還調整了囚禁雷射場，使得那些原子仍然固定在它們的位置上。結果就是，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。這一結果被發表在《科學》雜志上。

        諾貝爾獎得主、美國麻省理工學院的實體學家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中示範過負絕對溫度。奇異的高能狀态在正溫度下很難在實驗室中産生，在負絕對溫度下卻變得穩定了——用Ketterle的話說，“這就好像你可以讓一座金字塔頭朝下立起來，又不用擔心它會翻倒”——是以這樣的技術，讓科學家可以細緻地研究這些奇異的狀态。Ketterle說，“這或許是在實驗室裡創造出全新物态的一種方法。”

        德國科隆大學的理論實體學家Achim Rosch說，這樣的系統一旦建成，就會表現出奇異的特性。比如，Rosch及其同僚計算表明，盡管在通常情況下，這團原子雲會被重力向下拉扯，但如果部分原子雲處在負的絕對溫度，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産生出來的吸引力也想讓整個系統向内坍縮，但系統沒有坍縮，因為負的絕對溫度使它們穩定了下來。“這種奇怪的特性出現在宇宙之中，也出現在實驗室裡，這很有趣，”他說，“這或許是宇宙學家應該更仔細來審視一下的東西。”

原文釋出時間為：2017-12-11

本文作者：量子君

本文來源：

量子科學

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