實驗室溫度再創新低:有多冷?如何達成?

科學家剛剛打破了有史以來實驗室最低溫度的紀錄

比旋鏢星雲還冷,實驗室溫度再次向絕對零度靠近:萬億分之三十八開氏度是如何煉成的

冷原子概念圖

冷原子概念圖

科研人員有史以來最接近絕對零度(圖源:Shutterstock)

不久前,科學家通過將磁化氣體從393英尺(120米)的高塔落下,達到了一個徹骨的低溫:僅比絕對零度(-273。15攝氏度)高萬億分之三十八開氏度,該溫度也打破了有史以來在實驗室測量的最低溫度紀錄。

這支德國科研隊當時正在研究玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC)的量子性質——BEC即所謂的「物質第五態」,是一種在超低溫狀態下才存在的氣體衍生物。而物質在BEC狀態下則會表現得像一個大原子,這也使其成為了一個極具吸引力的課題——尤其吸引那些對亞原子粒子機制感興趣的量子物理學家。

這幅圖像顯示的是銣原子速度的分佈,它證實了玻色-愛因斯坦凝聚的存在。左:玻色-愛因斯坦凝聚出現前。中:玻色-愛因斯坦凝聚剛剛出現。右:幾乎所有剩餘的原子處於玻色-愛因斯坦凝聚狀態。

溫度測量的其實是分子振動:一群分子運動越活躍,則其集體溫度就會越高。而絕對零度則指的是所有分子都停止運動的時刻,即-459。67華氏度或-273。15攝氏度。科學家為極端低溫發明了專門溫標,即開爾文溫標(單位開),其中0開(0K)代表絕對零度。

物質接近絕對零度時,就會發生一些怪異之事。比如說,據2017年發表於《自然·物理》雜誌的一項研究表明,光在接近絕對零度狀態下變成了液體,實打實地可以「傾瀉」進容器中;又比如,據同年發表於《自然·通訊》雜誌的一項研究表明,過冷氦在超低溫狀態下將會失去摩擦力。另外,在美國國家航空航天局(NASA)冷原子實驗室裡,科研人員們還見證了原子在超低溫狀態下同時出現在兩個地方的奇景。

在這項破紀錄的實驗中,科學家們聚集了大約100000個氣態銣原子置於一個真空室的磁場中。然後,他們對這個真空室大幅降溫,直至絕對零上十億分之二攝氏度——而據圖譜網New Atlas,這個溫度本身也已經是一項世界紀錄了。

但對於想超越物理學極限的科研人員來說,這個溫度還遠遠不夠冷;想要得到更低的溫度,他們需要模擬外太空環境,於是他們把裝置帶去了歐洲太空總署的不來梅落塔,該落塔是位於德國不來梅大學的一所微重力研究中心。讓真空室做自由落體的同時快速開關磁場,這樣一來,BEC可以不受重力約束漂浮起來,從而科學家們可以將該狀態下的銣原子分子運動減速至接近零。該團隊8月30日在《物理評論快報》期刊上報告說,BEC在萬億分之三十八開氏度(38pK)保持了大約兩秒,創造了「一個絕對零下的紀錄」。在這之前的最低溫紀錄是百萬分之三十六開氏度,由位於科羅拉多州博爾德市的美國國家標準與技術研究院(NIST)的科學家用專門鐳射創造。

不來梅大學應用空間技術及微重力中心(ZARM)的微重力落塔

宇宙中已知的最低自然溫度存在於旋鏢星雲。旋鏢星雲位於半人馬座,距地球5000光年;根據歐洲太空總署的資料表明,它的平均溫度是-272攝氏度(約1開氏度)。

回力棒星雲

回力棒星雲

這項新研究的研究人員們在一項聲明中說道:在像太空之類的真正無重力環境下,理論上他們可以讓這個最低溫持續長達17秒。據麻省理工學院(MIT)的研究人員稱,極低溫在未來某一天也許能幫助科學家開發出更好的量子計算機。

相關知識

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回力棒星雲(英文:Boomerang Nebula)(亦稱領結星雲【2】)是在半人馬座的方向上,距離地球5,000光年的一個原行星雲。這個星雲的溫度經測量為1K(−272。15°C; −457。87°F),是自然界中已知溫度最低之處【2】。回力棒星雲是由從一顆恆星的核心逸流出的氣體形成的,氣體向外流出的速度是164公里/秒,並且在進入太空之後很快速的膨脹。這種膨脹是造成它溫度下降的主要原因(絕熱膨脹)。

BY: Joanna Thompson

FY: 堅迪柏

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選文:天文志願文章組-

翻譯:天文志願文章組-堅迪柏

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參考資料

1.維基百科全書

2.天文學名詞

3.原文來自:https://www.space.com/coldest-temperature-ever

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