科学家造出低于绝对零度的量子气体

根据《自然》杂志网站1月3日的报道，德国物理学家首次用钾原子创造了绝对零度以下的量子气体。科学家称这一成就为“实验中的独特技能”，它打开了未来创造负温度材料和新量子器件的大门，并有助于揭示宇宙中的许多秘密。

在18世纪中期，开尔文男爵威廉·汤姆森定义了绝对温度，在此温度下任何物质的温度都可以低于绝对零度。气体的绝对温度与其所含粒子的平均能量有关。温度越高，平均能量越高。绝对零度是气体中所有粒子的能量都为零的状态。这是一个理想的理论状态。在20世纪50年代，物理学家在他们的研究中遇到了更多异常的物质系统，发现这个理论并不完全正确。

慕尼黑路德维希马克西米利安大学的物理学家乌尔里希施奈德解释说，从技术上来说，人们可以从温度曲线上读取一系列温度数字，但这些数字只代表它所包含的粒子处于某种能量状态的概率。一般来说，大多数粒子的能量状态处于或接*均水平，只有少数粒子高于或低于较高的能量状态。从理论上讲，如果这个位置颠倒过来，使大多数粒子处于高能状态，少数粒子处于低能状态，温度曲线就会颠倒过来，温度就会从正变到负，低于绝对零度。2001年诺贝尔物理学奖获得者沃尔夫冈·凯特尔勒也证明了磁场系统中存在负绝对温度。

施奈德和他的同事用钾原子的超冷量子气体实现了负绝对零度。他们利用激光和磁场来保持单个原子的晶格排列。在正温度下，原子间的排斥力保持晶格结构稳定。然后他们迅速改变磁场，使原子相互吸引而不是排斥。施耐德说:“这种突然的转变导致原子在反应前从最稳定的状态，即最低能量状态，跳到最高可能的能量状态。这就像你穿过一个山谷，突然发现自己在一座山峰上。”

在正温度下，这种反转是不稳定的，原子向内坍缩。他们还调整势阱激光场以增强能量，从而原位稳定原子。结果，气体从绝对零度以上变成了绝对零度以下，这大约是开尔文的几十亿分之一。

凯特勒目前是麻省理工学院的物理学教授。他称这一最新成就为“实验特技”。在实验室里，异常高能态在正温度下很难产生，但在负绝对温度下会变得稳定，“就像你可以把金字塔颠倒过来，保持它稳定而不用担心它一样。”凯特勒指出，这项技术使人们能够详细研究这些异常的高能状态，“也可能成为创造新材料形式的一种方式。”

德国科隆大学的理论物理学家阿奇姆·罗斯赫说，如果这些物质系统能够被建造出来，它们的行为会很奇怪。根据他和他的同事的计算，在正常情况下，原子云会在重力的影响下被拉下来。如果一些云处于负绝对温度，一些原子将向上移动，显然违反了重力效应。

负绝对温度气体也可以模拟“暗能量”。暗能量是推动宇宙快速膨胀并抵抗万有引力向内拉的力量。施奈德指出，在它们产生的气体中，相互吸引的原子也倾向于向内坍缩，但负绝对温度可以阻止它们向内移动并保持稳定。这种奇特的现象在宇宙中很常见，现在可以在实验室里看到，值得宇宙学家进一步研究。