科學(xué)家試圖創(chuàng)造低于絕對零度的溫度
如果不能打破物理定律,那就與之周旋吧。
絕對零度表示那樣一種溫度,在此溫度下,構(gòu)成物質(zhì)的所有分子和原子均停止運動。絕對零度比人們在地球上最冷的經(jīng)歷還要冷得多。(川瑟·達博克注釋)
寒潮來襲,溫度驟降到零度以下,無論是用華氏還是攝氏計量都是如此。不過,這個零度只是溫度計上的一個標記罷了。但是如果讓溫度持續(xù)下降,比北極圈極寒之地還低,比外太空極遠之地還低,那么最后溫度會到達極限:絕對零度。(自然界最冷的地方不是冬季的南極,而是在布莫讓星云。那里的溫度為零下272攝氏度,是目前所知自然界中最寒冷的地方,成為“宇宙冰盒子”?!g者注)
這是物理定律的邊界,溫度不可能再低了。華氏零下459.67度(攝氏273.15度)的時候,一切熱量都已消失,所有分子、原子都已停止運動。試圖創(chuàng)造低于絕對零度的溫度就像是在尋找比南極更南的地方。(絕對零度(absolute zero)是熱力學(xué)的最低溫度,但此為僅存于理論的下限值。熱力學(xué)溫標的單位是開爾文(K),絕對零度就是開爾文溫度標定義的零點。0K等于攝氏溫標零下273.15度?!g者注)
當然了,科學(xué)家將此種邊界視為挑戰(zhàn)。目前實驗室的一些技術(shù)可以讓研究員操縱原子排列順序,這似乎跨越了禁界。借助磁鐵和激光,德國慕尼黑路德維格馬克西米利安大學(xué)(Ludwig-Maximilians University Munich)的一支研究隊伍誘使含有十萬個鉀原子的原子云團成為了低于絕對零度的量子氣體。
“這讓我們不得不重新思考我們對溫度的認識,”研究團隊的領(lǐng)隊之一尤利齊·施耐德說道。
這項研究還給了科學(xué)家一點獎勵,鉀原子奇怪的排列方式可能為研究宇宙深層的謎團提供了線索。
施耐德和他的同事使用激光束把原子束縛在一個晶格里,類似雞蛋包裝盒里的一個個小窩。打開激光,加上磁場,研究人員就可以控制原子的能量,而這是操縱溫度的關(guān)鍵。
一般來說,樣本里的所有原子擁有的能量數(shù)不一樣:一些原子能量少,運動得慢,而另外一些擁有魔鬼的速度。高速運動的原子數(shù)越多,溫度就越高。但是在正溫度下,大多數(shù)原子都比跑得最快的家伙運動得慢。
運用磁場和激光的把戲,德國科學(xué)家使大多數(shù)的鉀原子擁有了高能量,和平常的情況正相反。盡管這看起來沒什么了不起,但這樣的轉(zhuǎn)變干擾了決定氣體溫度的計算,于是產(chǎn)生了負值。從技術(shù)上講,物理學(xué)家將溫度定義為熵的變化(表示混亂度)與能量的關(guān)系。通常來說,能量越大,一個系統(tǒng)的熵就越大。但是在逆轉(zhuǎn)的例子中,能量越大,熵就越小,兩者的關(guān)系也從正變?yōu)樨摗T拥臏囟葹樨撌畠|分之幾開氏度,低于絕對零度。
值得注意的是,科學(xué)家們只是從數(shù)學(xué)角度上達到了“低于”絕對零度。雖然從數(shù)字上看,溫度比絕對零度低,但是并沒有更冷。事實上,氣體超級熱,比任何溫度處于正溫度上的東西都熱。
除了出現(xiàn)一個奇怪的溫度狀態(tài)之外,此項新工作復(fù)制了一個宇宙奇怪的特點。負溫度系統(tǒng)有負壓力,在宇宙中,這種壓力使得宇宙擴張得越來越快。物理學(xué)家稱宇宙的負壓力為“暗能量”,但是他們還沒有弄清楚那到底是什么。或許實驗室里的負壓力實驗可以提供一些路徑。