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這是一個非常有趣的話題，坊間流傳的說法是絕對零度下所有物質(zhì)都靜止了，那么作為宇宙中速度天花板的光會如何運(yùn)動呢？變成一條棍子還是一條波紋，一個非常有探討價值的問題，我們不妨來展開下！ 什么是絕對零度？要了解絕對零度的概念，我們首先得來了解下溫度的概。物體溫度的宏觀表現(xiàn)就是冷、溫、燙甚至灼燒與發(fā)紅、甚至發(fā)光，這是物體從冷到熱的一個過程。那么溫度的微觀表現(xiàn)是什么，是什么原因?qū)е铝宋矬w宏觀溫度的升高？ 物體微觀粒子的熱運(yùn)動的劇烈程度是宏觀溫度的內(nèi)在表現(xiàn)。根據(jù)麥克斯韋-玻爾茲曼分布，粒子動能越高，物質(zhì)溫度就越高。 因此我們可以用一個模型將微觀粒子的運(yùn)動程度和溫度聯(lián)系起來，分子運(yùn)動越劇烈，那么溫度表現(xiàn)就越高，反之微觀粒子運(yùn)動逐漸趨向于靜止，那么它的溫度表現(xiàn)就越低！當(dāng)微觀粒子動能低到量子力學(xué)的最低點(diǎn)時，即達(dá)到絕對零度！ 上圖就是溫度和粒子運(yùn)動的模型曲線，為什么指向絕對零度（-273.15℃）的有一截是虛線？因?yàn)槲覀冞_(dá)不到，只能用虛線表示！ 用什么手段可以達(dá)到或者接近絕對零度？生活中有兩種降溫設(shè)備，一種是空調(diào)另一種是冰箱，這是我們?nèi)粘１夭豢缮賰煞N家用電器，前者在夏天給了我們第二次生命，這得感謝威利斯開利，因?yàn)槭沁@位大神發(fā)明了空調(diào)！后者則是我們?nèi)粘１４媸澄锏闹匾侄危〉@兩個都不能達(dá)到我們的要求，因?yàn)槊裼帽涞淖畹蜏囟茸畹椭荒苓_(dá)到-18℃，距離絕對零度差的遠(yuǎn)了！
實(shí)驗(yàn)用的超低溫冰箱，可以達(dá)到-40℃，甚至-80℃，或者液氮冷卻能接近-196℃，或者液氦冷卻能接近-268.9℃，再往下我們沒有合適的媒介了，因?yàn)檫@種用蒸發(fā)方式降溫的方式，介質(zhì)的溫度必須低于物體的溫度，才能使物體的溫度無限逼近介質(zhì)的溫度，但它不可能低于介質(zhì)的溫度，比如液氦溫度是-268.9℃，那么液氦作為介質(zhì)的設(shè)備不可能制造出低于-268.9℃的低溫。那么我們制造接近絕對零度的方法就黔驢技窮了嗎？當(dāng)然不會，我們還有一種流氓的辦法！
可能各位對激光的印象都是輸出巨大能量不一樣，激光也可以用來極端制冷，但卻不是我們所謂的日?？照{(diào)或者冰箱制冷方式，更準(zhǔn)確的形容話是一種多普勒效應(yīng)達(dá)到原子冷卻技術(shù)！因?yàn)槲覀冇媒橘|(zhì)蒸發(fā)的方式冷卻只能逼近介質(zhì)的溫度，而我們找不到-273.15℃的介質(zhì)，那么換一種方式，讓微觀粒子的運(yùn)動接近或者到達(dá)靜止，不是變相實(shí)現(xiàn)絕對零度了么？所以我們形容它是一種流氓辦法！ 激光制冷的原理：利用多普勒效應(yīng)達(dá)到原子制冷的技術(shù)，即在激光傳播方向與原子運(yùn)動相反時候，由于多普勒效應(yīng)，原子處觀測激光頻率會比實(shí)際頻率略高（藍(lán)移），此時控制射入的激光的頻率，使其比原子共振頻率略低，但因藍(lán)移效應(yīng)，剛好進(jìn)入原子吸收光子而達(dá)到激發(fā)態(tài)，當(dāng)原子從激發(fā)態(tài)回落基態(tài)時，所釋放的能量比吸收要略大一些，這種能量“欺騙效應(yīng)”會導(dǎo)致原子會損失能量！而光子的反向動量會抵消原子的運(yùn)動，而釋放光子則是隨機(jī)的，因此原子的動量會進(jìn)一步降低。 2018年5月21日，裝載在軌道ATK Antares火箭上的天鵝座飛船搭載了冷原子物理實(shí)驗(yàn)室（CAL）從美國宇航局瓦洛普斯基地發(fā)射升空。計(jì)劃在微重力環(huán)境下展開冷原子云實(shí)驗(yàn)，這是美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）設(shè)計(jì)制造的一個實(shí)驗(yàn)裝置，利用的原理就是激光制冷，目標(biāo)是制造出有史以來宇宙中最低的溫度！ CAL（冷原子物理實(shí)驗(yàn)室）在國際空間站制造出了-273.149999999999℃，只比絕對零度高出0.000000000001℃！當(dāng)然冷原子云實(shí)驗(yàn)并不滿足于此，未來實(shí)驗(yàn)將持續(xù)至2020年。 制造出無限接近絕對零度的低溫有什么用？1、物質(zhì)的第五第六態(tài) 我們目前了解的物質(zhì)形態(tài)總共有六種，常見的氣態(tài)，液態(tài)與固態(tài)，實(shí)現(xiàn)條件比較簡單的是等離子態(tài)，等離子態(tài)是高溫下實(shí)現(xiàn)的（當(dāng)然也有低溫等離子體），而第五態(tài)：玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)以及第六態(tài)費(fèi)米子凝聚態(tài)則是在極低溫狀態(tài)下的量子態(tài)。
是玻色子原子在冷卻到接近絕對零度時穿線的超流性物質(zhì)狀態(tài)，1995年，麻省理工的沃夫?qū)P特利和科羅拉多大學(xué)的埃里克·康奈爾和卡爾·威曼使用氣態(tài)的銣原子在170nK的低溫下首次實(shí)現(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)！玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)有一種非常特殊的特性，達(dá)到此形態(tài)的所有原子能凝聚到能量最低的量子態(tài)，形成如同一個原子，無法區(qū)分彼此的形態(tài)！
費(fèi)米子凝聚態(tài)則是與玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)類似的一種物種形態(tài)，不同的是它是接近絕對零度的費(fèi)米子量子態(tài)集合！費(fèi)米子凝聚態(tài)的形態(tài)則剛好與玻色愛因斯坦凝聚態(tài)相反，每個都粒子也都在最低能態(tài)，但它們各不相同，如同擁擠的人群一樣。
二、玻色-愛因斯坦凝聚態(tài) 這曾經(jīng)是愛因斯坦在70多年前預(yù)言的一種物質(zhì)形態(tài)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在人類實(shí)現(xiàn)了它，這玩意兒有啥用呢？ 這群突然跌落到最低能級玻色子集合表現(xiàn)的特性與單個粒子一樣，具有完全相同的物理性質(zhì)這讓“沒事干”的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了新大陸：漢諾威大學(xué)與UPV/EHU組成聯(lián)合研究小組，在兩個分離空間內(nèi)的玻色-愛因斯坦凝聚體，實(shí)現(xiàn)了量子糾纏！ 以往的量子糾纏實(shí)驗(yàn)中，對象都是單個量子態(tài)。而此次實(shí)驗(yàn)對象則是處在玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的冷原子云，這種模式跟經(jīng)典的量子糾纏實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖啾?，冷原子云可以制造出高糾纏態(tài)！在需要創(chuàng)建和控制大型糾纏態(tài)的集合體時，無疑玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)冷原子云的糾纏具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，這可能是未來大規(guī)模量子計(jì)算機(jī)的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)！ 達(dá)到絕對零度后，光的運(yùn)動方式會怎么樣？假設(shè)達(dá)到了絕對零度（當(dāng)然這是一個不可能實(shí)現(xiàn)的溫度），光會被凍住嗎？答案是不會，因?yàn)樵诮^對零度的世界里沒有光，如果有光的話就會有能量輸入，那么這個系統(tǒng)就無法達(dá)到絕對零度！ 那么假設(shè)無限接近絕對零度，光又會如何呢？ 光子是玻色子，在無限接近絕對零度時會達(dá)到玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，形成冷原子超流體，猶如水銀瀉地一般？我們比較難想象這種光子超流體狀態(tài)，但至少以現(xiàn)在的科技并不能實(shí)現(xiàn)光子達(dá)到玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，因?yàn)槲覀兝鋮s原子用的技術(shù)就是激光制冷，暫時實(shí)現(xiàn)仍然還是原子級別冷原子云實(shí)驗(yàn)，也許不久的將來可以實(shí)現(xiàn)超流體光！  科幻片《幽冥》劇照 最后來簡單介紹下概念很硬核、劇情很緊湊、觀賞性很高關(guān)于玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)的科幻片《幽冥》，說的是被某種實(shí)驗(yàn)困在在玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)、半生半死之間的“人形生物”與三角洲特種部隊(duì)之間戰(zhàn)爭的反戰(zhàn)電影，整體來說作為科幻片來看是不錯的，但請勿和現(xiàn)實(shí)中的玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)聯(lián)系起來，因?yàn)榉彩请娪昂茈y經(jīng)得起科學(xué)邏輯推敲的，盡情欣賞即可。 |
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