【Nature】比绝对零度还“冷”的量子气体

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转载自译言网:http://article.yeeyan.org/view/370724/342099

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

         本人感想：

         首先不要被标题吓到，这个研究并不是揭露有比绝对零度更低的温度。

         绝对零度的定义可以认为是分子动能为零，所以可以认为绝对零度代表着最低能量。比绝对零度更加“冷”，不是说它们的分子动能比零小。相反，这些负温度的物质分子动能绝对比零大（目前没有打到过绝对零度。），但是他们的分布规律和普通的物质不一样。也就是不符合e^(-E/kT) 的麦克斯韦-玻尔兹曼分布规律。

【Nature】比绝对零度还“冷”的量子气体

译者： SCWalter 原作者：Zeeya Merali

发表时间：2013-01-05

超冷原子研究为负开尔文材料的开发做出了铺垫。

泽亚·梅拉利

2013年1月3日

听起来有点儿天方夜谭，但是物理学家已经开创性地制造出了温度低于绝对零度的原子气体。这项技术为制作负开尔文材料和新型量子设备提供了可能，它甚至可以帮助人们揭开宇宙的一个秘密。 19世纪中叶，开尔文勋爵定义了绝对温标。根据定义，没有什么东西可以低于绝对零度。物理学家后来认识到气体的绝对温度与粒子的平均能量有关。绝对零度对应粒子的一种理论状态，在这种状态下，粒子不具备能量。相应的，温度越高对应的平均能量也越大。 但是到了20世纪50年代，物理学家在研究了更多特异的热力学系统后发现，绝对零度并不绝对：从技术上说，系统温度可以从能量分布概率图得到。这一分布图列出了体系中对应特定能量的粒子出现的概率。正常状态下，体系中大多数粒子的能量为平均值或近似平均值，只有一小部分粒子处于高能状态。德国慕尼黑路德维希·马西米兰大学的物理学家乌尔里希・施奈德解释说：理论上，如果这种分布状态反转，也就是大部分粒子处于高能而并非低能状态时（译者：这里可能有点儿混乱——这里不能说是平均值，当大部分粒子处于高能状态时，平均值也会升高。所以关键在于分布曲线的形状，下面我摘取了《科学》杂志评论中的一幅图，希望有助于理解），分布曲线会反转，这样温度符号会从正绝对温度转为负绝对温度。

（译者附加图片）温度可以通过一种单因子拟合方法得到：当能量增大时，体系中一个原子具备相应大小能量的概率成指数减小。

峰值和谷值

施奈德及其同事利用钾原子组成的超冷量子气体实现了这一绝对零下温度。他们用激光和磁场将每个原子束缚在一种晶格排列中。在正温度状态下，原子互相排斥，达到稳定排布状态。然后，研究小组迅速调整磁场，使原子间相互作用由排斥转为吸引。“这种变化会使原子从低能稳态转变到最高能态。这种转变非常突然，原子的其他状态不会马上变化。”施奈德说。“这就好比一个人正在山谷行走，突然被瞬间转移到山峰上，而自己还来不及反应。”

在正温度状态下，这种能量状态的反转是不稳定的，整个结构（译者：上面提到的晶格排列）会向内坍塌。但是研究小组可以调整束缚原子的激光场，使原子在能态不变的前提下仍然被束缚在原来的位置。最终气体从略高于绝对零度的状态转变为低于绝对零度十亿分之几度，这一结果今天（2013年1月3日）发表在了《科学》杂志上，

位于剑桥麻省理工学院的物理学家、诺贝尔奖得主沃尔夫冈·克特勒此前证明了磁场系统中负绝对温度的可能性。他称赞这项工作是“实验杰作”。正温度条件下，特异的高能状态在实验室中很难实现。而这种高能状态在负绝对温度条件下很稳定——“就好像你站在金字塔顶端而不必担心金字塔会翻过来。”克特勒说——因此这项技术让我们可以深入研究这些特异的高能状态。“这可能是一种在实验室中创造全新物质形态的方法。”克特勒补充道。

施奈德小组此次应用的技术方案就是德国科隆大学的理论物理学家阿希姆·罗斯此前提出的。罗斯说，如果我们可以建立起这套系统，这套系统将会表现出一些奇怪的性质。比如，一团原子在正常情况下会被重力牵引向下运动，但根据罗斯和同事的计算，如果原子团中的一部分处于负绝对温度，那么一些原子就会向上运动，看上去就是反重力的。

绝对零下气体的另一个特异之处在于，它模拟了“暗能量”的作用。暗能量是一种神秘的力量，它可以推动宇宙对抗内聚引力，向外膨胀。施奈德注意到，在研究小组制造的气体中，原子间的引力使得整个系统有向内坍塌的趋势，但是系统并没有塌缩，这是因为负绝对温度帮助稳定了系统中的原子。“有意思的是，这种奇怪的反收缩现象在宇宙中和实验室中都有出现，”施奈德说。“宇宙学家应该来仔细研究一下这一现象。”