宇宙中最冷的试验

你能想到的最冷的处所在哪里?

在冬季,南极洲的温度低至零下85℃;在月球的昏暗面,温度可到达零下173℃;天然界中已知最冷的物资是液氦,它的温度是零下269℃。

宇宙中最冷的实验

不外宇宙中有如许一个处所,它的温度比液氮还要冷得多,只比尽对零度(理论预言的物资可以或许到达的温度极低限)高十亿分之一度,这个处所就是位于国际空间站的冷原子试验室。顾名思义,冷原子试验室就是制作“超冷”原子云的处所。

宇宙中最冷的实验

不外,科学家们为什么要在太空中造出比尽对零度超出跨越几十亿分之一度、甚至几百亿分之一度的原子云呢?这还要从最著名的物理学家爱因斯坦说起。

最冷前提下的新状况

1925年,爱因斯坦零丁颁发了一篇名为《幻想气体的量子统计》的论文。在这篇论文中,爱因斯坦初次预言了玻色-爱因斯坦凝集态,这是一种原子在极低温度下所到达的物资状况,在固态、液态、气态和等离子态之后,它被称为物资的第五种状况。为什么叫玻色-爱因斯坦凝集态呢?这里有一个小故事。

凡是,在我们的概念中,构成物资的粒子都是一个个零丁的个别,它们都做着各自的不规矩热活动,活动的巨细和标的目的各不雷同,这些粒子都处于分歧的状况,也就是说,各个粒子是可以区分的。

宇宙中最冷的实验

然而,早在1924年,一位印度的数学物理学家玻色在研讨光子统计的时辰,就提出了一个设法,微不雅粒子存在彼此不成区分的情形,在得出这个设法之后,玻色顿时写了一篇相干的论文。不外,因为那时的玻色是一个连博士学位都没有的无名科学家,没有期刊愿意登出他的论文。于是,玻色一气之下,直接把论文寄给了爱因斯坦。爱因斯坦看到玻色的论文很是冲动,亲身将玻色的论文翻译成德语,并颁发在德国的杂志上。后来,爱因斯坦在玻色理论的基本上提出了玻色-爱因斯坦凝集态的现象。人们为了纪念两人对这种新状况的预言,便称它为玻色-爱因斯坦凝集态。

讲了半天这个玻色-爱因斯坦凝集态,它到底是怎么回事呢?

宇宙中最冷的实验

微不雅世界的粒子具有波粒二象性,也就是说,微不雅粒子不仅可以用粒子的术语来描写,还可以用波的术语来描写。以原子为例,原子既可以当作一个粒子,也可以当作是一个波。粒子活动的特征可以用动量(粒子质量和速度的乘积)来描写,粒子波动的特征可以用波长来描写,而动量和波长呈反比,即粒子的活动速度越慢,波长越长。同时,物资的温度来自于自己的热活动,假如粒子活动速度下降,温度天然就变低了。

一般情形下,原子和原子之间的间隔都特殊年夜,它们的动量也比拟年夜。但跟着原子活动速度越来越慢,即原子的温度越来越冷,原子就开端慢慢展示出本身波动的性质。我们可以把原子波长变长形象地比方成原子变得越来越胖。当原子自己波长接近或者跨越原子之间的间隔之时,原子之间就开端“碰着”了,持续冷下往就酿成了你中有我、我中有你,所有的原子就酿成了一个整体,拥有一样的状况,即玻色-爱因斯坦凝集态。处于这个状况的原子会有一些奇异的性质,而这些性质可认为我们研讨原子或其他的物理现象供给一个新视角。

出产冷原子的“小盒子”

2018年5月21号,美国国度航空航天局(NASA)将一个差未几抽屉巨细的小型装备——冷原子试验室(CAL)发往国际空间站(由16个国度配合介入治理),在发送胜利后的7个月里,科学家们天天都经由过程长途操控的方法,出产着超冷原子,并不雅测着超冷原子的行动。该冷原子试验室由激光器、真空室和一把电磁“刀”构成,它应用了激光冷却和蒸发冷却两种技巧。

接下来,我们分辨懂得一下这两种技巧。

假如一个粒子朝我们飞来,我们该若何让它停下来?谜底天然是对着粒子活动的标的目的施加一个力,让它减速。相似地,激光中的光子具有必定的动量,标的目的为光传布的标的目的,假如光子和原子(粒子)产生碰撞,也会发生一个力,让原子减速。因为原子的热活动是不规矩的,我们不知道它具体的活动标的目的,是以,就须要用激光在各个标的目的上让原子减速,来下降它的温度。这就是激光冷却技巧的道理。

固然激光冷却技巧可以将原子温度降到极低,但这个温度还不足以让原子到达玻色-爱因斯坦凝集态。原子的进一步冷却就须要用到蒸发冷却技巧,这个技巧的基础道理相似于一杯热水的冷却。在人们喝水的时辰,假如水太烫了,人就要吹一吹,让水变凉。因为分子在不断的活动,水的概况有一些速度年夜的分子(即能量高、比拟热的分子)会离开液态水分子团体,跑到空气中,这部门水分子酿成了水蒸气,将水概况比拟热的水蒸气分子吹跑,水杯中的水就凉下来了。相似地,蒸发冷却就是将原子云中比拟热的原子移走(这部门原子能量较高,自己就轻易逃离原子云),全部原子云的温度就会降落了。

宇宙中最冷的实验

现实上,应用这两种技巧,地球上的试验室也可以发生超冷原子。可是在地面上,重力会感化于冷却的原子云,使它们敏捷着落,原子云顿时又热起来了。在这时代,科学家们可以或许察看玻色-爱因斯坦凝集态原子云的时光只有几分之一秒。固然磁场可以用来“捕捉”原子云并使其坚持静止,可是如许就不雅测不到凝集态原子的天然活动行动了。是以,科学家们想在太空中出产冷原子,由于在太空的微重力下,冷原子云漂浮的时光要长得多,科学家们可以对凝集态原子的行动有更深刻的懂得。

不外,一个可以或许送到太空中的冷原子试验室并不轻易制造。凡是,地球上的冷原子装备很是宏大,能盘踞一整间试验室,同时一些开关都裸露在外面,以便科学家们随时调剂装备。起首,送往太空的最冷试验室体积要小;其次,科学家们只能在地球对它进行长途操纵。现实上,科学家和工程师们在2012年就开端制造这个太空冷原子试验室了,但直到2018年,它才胜利地被送到太空中。

改革将来的新资料

自玻色-爱因斯坦凝集态被不雅测到以来,冷原子试验就备受存眷,原因在于冷原子试验的成果可能会导致很多技巧的成长,好比传感器、原子钟、干预仪和量子盘算机等。

以量子盘算机为例,量子盘算机的实现须要应用到量子效应。经典盘算机中一比特只能处于1或0的两种二进制状况之一,那么,两个比特可以表现0、1、2、3四个数之一(二进制1、0为十进制的2,二进制1、1为十进制的3)。我们应用电路的断开和闭合来表现0和1,然后经由过程庞杂的电路,让盘算机完成庞杂的运算。而基于量子力学纪律的量子盘算机基础存储单元是量子比特,相对于比特中存储的信息只能是0或1两种状况,因为量子处于叠加态,所以量子比特中存储的信息可能是1也可能是0,即量子比特存储的信息可以既是0又是1。是以,一个量子比特可以同时表现1和0两个数,两个量子比特可以同时表现0、1、2、3四个数。现实上,量子盘算机可以经由过程冷原子在自身的基态和某一激发态(比基态超出跨越特定能量的状况)之间的跃迁来表现0和1。而冷原子作为微不雅粒子,具有量子的叠加特征,即冷原子既可以处于基态也可以处于激发态。同时,冷原子的活动速度慢,能量低,与热原子比拟有加倍明白的能量状况(热原子可能处于的能量状况不只两种),是以,冷原子是一种很好的量子比特候选资料。

宇宙中最冷的实验

别的,冷原子试验还可以用来进步原子钟的精度。今朝,我们对时光的界说是由铯原子所开释的光子频率决议的,若何断定这个频率就决议了时光的准确度。科学家们会让铯原子经由过程微波腔(微波腔可以发出特定频率的电磁波,而且研讨职员可以调节电磁波的频率),当微波腔发出的频率和铯原子的光子频率雷同时,就会发生共振,科学家们就可以断定铯原子的光子频率。然而,铯原子在常温下的均匀速度约几百米每秒,经由过程微波腔的时光很是短,极年夜地限制了断定频率的稳固度。而太空中的冷原子活动速度被极年夜地下降了,经由过程微波腔的时光长了,精度天然也就进步了。原子钟的精度本来误差为1秒/300万年,冷原子钟的精度可以进步到1秒/3亿年,进步了2个数目级。

任何一个物理现象的背后都有着深远的实际意义,要害在于我们可否实时发明并利用。太空冷原子试验以及玻色-爱因斯坦凝集态的研讨一定会对物理学发生深远的影响,增进科学技巧的提高。

拓展浏览:若何界说时光?

从物理学的角度,时光就代表了物体有纪律的活动,好比:察看四时有纪律的变更就有了年的概念,太阳的东升西落就代表了一天的时光概念。今朝对时光“秒”的官方界说是铯原子的一个能级跃迁到另一个能级所开释电磁波的9192631770个周期所需的时光。

原子由原子核和电子构成,电子缭绕原子核活动。但电子只能在特定的、分立的轨道上活动,这些轨道称为能层,各个轨道上的电子能量是分歧的,这些能量值即为能级,能量越高的电子离原子核越远。当电子转换能级时,它们须要发出或接收光子,光子的能量就即是能级之差。

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