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      宇宙中最冷的實(shí)驗(yàn)

      2019-05-07 07:51:18鄔裔
      科學(xué)之謎 2019年4期
      關(guān)鍵詞:凝聚態(tài)玻色愛因斯坦

      鄔裔

      你能想到的最冷的地方在哪里?

      在冬季,南極洲的溫度低至零下85℃;在月球的陰暗面,溫度可達(dá)到零下173℃;自然界中已知最冷的物質(zhì)是液氦,它的溫度是零下269℃。

      不過宇宙中有這樣一個(gè)地方,它的溫度比液氮還要冷得多,只比絕對零度(理論預(yù)言的物質(zhì)能夠達(dá)到的溫度極低限)高十億分之一度,這個(gè)地方就是位于國際空間站的冷原子實(shí)驗(yàn)室。顧名思義,冷原子實(shí)驗(yàn)室就是制造“超冷”原子云的地方。

      不過,科學(xué)家們?yōu)槭裁匆谔罩性斐霰冉^對零度高出幾十億分之一度、甚至幾百億分之一度的原子云呢?這還要從最有名的物理學(xué)家愛因斯坦說起。

      最冷條件下的新狀態(tài)

      1925年,愛因斯坦單獨(dú)發(fā)表了一篇名為《理想氣體的量子統(tǒng)計(jì)》的論文。在這篇論文中,愛因斯坦首次預(yù)言了玻色-愛因斯坦凝聚態(tài),這是一種原子在極低溫度下所達(dá)到的物質(zhì)狀態(tài),在固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)和等離子態(tài)之后,它被稱為物質(zhì)的第五種狀態(tài)。為什么叫玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)呢?這里有一個(gè)小故事。

      通常,在我們的概念中,組成物質(zhì)的粒子都是一個(gè)個(gè)單獨(dú)的個(gè)體,它們都做著各自的不規(guī)則熱運(yùn)動,運(yùn)動的大小和方向各不相同,這些粒子都處于不同的狀態(tài),也就是說,各個(gè)粒子是可以區(qū)分的。

      然而,早在1924年,一位印度的數(shù)學(xué)物理學(xué)家玻色在研究光子統(tǒng)計(jì)的時(shí)候,就提出了一個(gè)想法,微觀粒子存在彼此不可區(qū)分的情況,在得出這個(gè)想法之后,玻色馬上寫了一篇相關(guān)的論文。不過,由于當(dāng)時(shí)的玻色是一個(gè)連博士學(xué)位都沒有的無名科學(xué)家,沒有期刊愿意登出他的論文。于是,玻色一氣之下,直接把論文寄給了愛因斯坦。愛因斯坦看到玻色的論文非常激動,親自將玻色的論文翻譯成德語,并發(fā)表在德國的雜志上。后來,愛因斯坦在玻色理論的基礎(chǔ)上提出了玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的現(xiàn)象。人們?yōu)榱思o(jì)念兩人對這種新狀態(tài)的預(yù)言,便稱它為玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。

      講了半天這個(gè)玻色-愛因斯坦凝聚態(tài),它到底是怎么回事呢?

      微觀世界的粒子具有波粒二象性,也就是說,微觀粒子不僅可以用粒子的術(shù)語來描述,還可以用波的術(shù)語來描述。以原子為例,原子既可以看成一個(gè)粒子,也可以看成是一個(gè)波。粒子運(yùn)動的特性可以用動量(粒子質(zhì)量和速度的乘積)來描述,粒子波動的特性可以用波長來描述,而動量和波長呈反比,即粒子的運(yùn)動速度越慢,波長越長。同時(shí),物質(zhì)的溫度來自于本身的熱運(yùn)動,如果粒子運(yùn)動速度降低,溫度自然就變低了。

      一般情況下,原子和原子之間的距離都特別大,它們的動量也比較大。但隨著原子運(yùn)動速度越來越慢,即原子的溫度越來越冷,原子就開始慢慢展現(xiàn)出自己波動的性質(zhì)。我們可以把原子波長變長形象地比喻成原子變得越來越胖。當(dāng)原子本身波長接近或者超過原子之間的距離之時(shí),原子之間就開始“碰到”了,繼續(xù)冷下去就變成了你中有我、我中有你,所有的原子就變成了一個(gè)整體,擁有一樣的狀態(tài),即玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。處于這個(gè)狀態(tài)的原子會有一些奇特的性質(zhì),而這些性質(zhì)可以為我們研究原子或其他的物理現(xiàn)象提供一個(gè)新視角。

      生產(chǎn)冷原子的“小盒子”

      2018年5月21號,美國國家航空航天局(NASA)將一個(gè)差不多抽屜大小的小型設(shè)備——冷原子實(shí)驗(yàn)室(CAL)發(fā)往國際空間站(由16個(gè)國家共同參與管理),在發(fā)送成功后的7個(gè)月里,科學(xué)家們每天都通過遠(yuǎn)程操控的方式,生產(chǎn)著超冷原子,并觀測著超冷原子的行為。該冷原子實(shí)驗(yàn)室由激光器、真空室和一把電磁“刀”組成,它利用了激光冷卻和蒸發(fā)冷卻兩種技術(shù)。

      接下來,我們分別了解一下這兩種技術(shù)。

      如果一個(gè)粒子朝我們飛來,我們該如何讓它停下來?答案自然是對著粒子運(yùn)動的方向施加一個(gè)力,讓它減速。類似地,激光中的光子具有一定的動量,方向?yàn)楣鈧鞑サ姆较?,如果光子和原子(粒子)發(fā)生碰撞,也會產(chǎn)生一個(gè)力,讓原子減速。由于原子的熱運(yùn)動是不規(guī)則的,我們不知道它具體的運(yùn)動方向,因此,就需要用激光在各個(gè)方向上讓原子減速,來降低它的溫度。這就是激光冷卻技術(shù)的原理。

      雖然激光冷卻技術(shù)可以將原子溫度降到極低,但這個(gè)溫度還不足以讓原子達(dá)到玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。原子的進(jìn)一步冷卻就需要用到蒸發(fā)冷卻技術(shù),這個(gè)技術(shù)的基本原理類似于一杯熱水的冷卻。在人們喝水的時(shí)候,如果水太燙了,人就要吹一吹,讓水變涼。由于分子在不停的運(yùn)動,水的表面有一些速度大的分子(即能量高、比較熱的分子)會脫離液態(tài)水分子集團(tuán),跑到空氣中,這部分水分子變成了水蒸氣,將水表面比較熱的水蒸氣分子吹跑,水杯中的水就涼下來了。類似地,蒸發(fā)冷卻就是將原子云中比較熱的原子移走(這部分原子能量較高,本身就容易逃離原子云),整個(gè)原子云的溫度就會下降了。

      實(shí)際上,利用這兩種技術(shù),地球上的實(shí)驗(yàn)室也可以產(chǎn)生超冷原子。但是在地面上,重力會作用于冷卻的原子云,使它們迅速下落,原子云馬上又熱起來了。在這期間,科學(xué)家們能夠觀察玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)原子云的時(shí)間只有幾分之一秒。雖然磁場可以用來“捕獲”原子云并使其保持靜止,但是這樣就觀測不到凝聚態(tài)原子的自然運(yùn)動行為了。因此,科學(xué)家們想在太空中生產(chǎn)冷原子,因?yàn)樵谔盏奈⒅亓ο?,冷原子云漂浮的時(shí)間要長得多,科學(xué)家們可以對凝聚態(tài)原子的行為有更深入的了解。

      不過,一個(gè)能夠送到太空中的冷原子實(shí)驗(yàn)室并不容易制作。通常,地球上的冷原子設(shè)備非常龐大,能占據(jù)一整間實(shí)驗(yàn)室,同時(shí)一些開關(guān)都暴露在外面,以便科學(xué)家們隨時(shí)調(diào)整設(shè)備。首先,送往太空的最冷實(shí)驗(yàn)室體積要小;其次,科學(xué)家們只能在地球?qū)λM(jìn)行遠(yuǎn)程操作。實(shí)際上,科學(xué)家和工程師們在2012年就開始制作這個(gè)太空冷原子實(shí)驗(yàn)室了,但直到2018年,它才成功地被送到太空中。

      改造未來的新材料

      自玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)被觀測到以來,冷原子實(shí)驗(yàn)就備受關(guān)注,原因在于冷原子實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可能會導(dǎo)致許多技術(shù)的發(fā)展,比如傳感器、原子鐘、干涉儀和量子計(jì)算機(jī)等。

      以量子計(jì)算機(jī)為例,量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)需要利用到量子效應(yīng)。經(jīng)典計(jì)算機(jī)中一比特只能處于1或0的兩種二進(jìn)制狀態(tài)之一,那么,兩個(gè)比特可以表示0、1、2、3四個(gè)數(shù)之一(二進(jìn)制1、0為十進(jìn)制的2,二進(jìn)制1、1為十進(jìn)制的3)。我們利用電路的斷開和閉合來表示0和1,然后通過復(fù)雜的電路,讓計(jì)算機(jī)完成復(fù)雜的運(yùn)算。而基于量子力學(xué)規(guī)律的量子計(jì)算機(jī)基本存儲單位是量子比特,相對于比特中存儲的信息只能是0或1兩種狀態(tài),由于量子處于疊加態(tài),所以量子比特中存儲的信息可能是1也可能是0,即量子比特存儲的信息可以既是0又是1。因此,一個(gè)量子比特可以同時(shí)表示1和0兩個(gè)數(shù),兩個(gè)量子比特可以同時(shí)表示0、1、2、3四個(gè)數(shù)。實(shí)際上,量子計(jì)算機(jī)可以通過冷原子在自身的基態(tài)和某一激發(fā)態(tài)(比基態(tài)高出特定能量的狀態(tài))之間的躍遷來表示0和1。而冷原子作為微觀粒子,具有量子的疊加特性,即冷原子既可以處于基態(tài)也可以處于激發(fā)態(tài)。同時(shí),冷原子的運(yùn)動速度慢,能量低,與熱原子相比有更加明確的能量狀態(tài)(熱原子可能處于的能量狀態(tài)不只兩種),因此,冷原子是一種很好的量子比特候選材料。

      另外,冷原子實(shí)驗(yàn)還可以用來提高原子鐘的精度。目前,我們對時(shí)間的定義是由銫原子所釋放的光子頻率決定的,如何確定這個(gè)頻率就決定了時(shí)間的精確度??茖W(xué)家們會讓銫原子通過微波腔(微波腔可以發(fā)出特定頻率的電磁波,并且研究人員可以調(diào)節(jié)電磁波的頻率),當(dāng)微波腔發(fā)出的頻率和銫原子的光子頻率相同時(shí),就會產(chǎn)生共振,科學(xué)家們就可以確定銫原子的光子頻率。然而,銫原子在常溫下的平均速度約幾百米每秒,通過微波腔的時(shí)間非常短,極大地限制了確定頻率的穩(wěn)定度。而太空中的冷原子運(yùn)動速度被極大地降低了,通過微波腔的時(shí)間長了,精度自然也就提高了。原子鐘的精度原先誤差為1秒/300萬年,冷原子鐘的精度可以提高到1秒/3億年,提高了2個(gè)數(shù)量級。

      任何一個(gè)物理現(xiàn)象的背后都有著深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義,關(guān)鍵在于我們能否及時(shí)發(fā)現(xiàn)并應(yīng)用。太空冷原子實(shí)驗(yàn)以及玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的研究必定會對物理學(xué)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。

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