奇异量子物理系统：它既在“绝对零度”之下，又在“绝对高温”之上
温度能降到绝对零度以下吗？到时会发生什么？它会像“吃豆人（Pac-Man）”游戏那样，从温度计量的另一个极端再冒出来，变得无限热吗？嗯，某种程度上，这个看似古怪的概念在现有物理学中是很常见的。
最近发表在《物理评论快报（Physical Review Letters）》上的一篇论文描述了一个系统，在这个系统中，“负温度”被用来解释了现实物理世界中一个奇怪但真实的现象。
供图： Myriams-Fotos，通过Pixabay检索获得
物理学家首次创造出了温度低于绝对零度的原子气体，他们采用的技术打开了一扇大门，能够创造出负K材料，制造出全新的量子器件，甚至能够帮助我们破解宇宙谜题。
开尔文勋爵在19世纪初定义了绝对温标，在这种温标下，没有任何东西的温度能够低于绝对零度。物理学家后来意识到，气体的绝对温度与粒子的平均能量有关。绝对零度对应于粒子不携带任何能量这种理论状态，粒子的平均能量越高，对应的温度也就越高。
然而，在20世纪50年代，研究更奇异物理系统的物理学家开始意识到，这种情况并不总是对的：从理论上讲，你是从一张能量分布图上读取一个系统的温度，这张分布图上标明了你能在系统中找到拥有特定能量粒子的几率。通常情况下，大多数粒子的能量都在平均能量附近，只有少数粒子会拥有更高的能量。德国慕尼黑大学的物理学家Ulrich Schneider解释说，理论上，如果这种局面被逆转，也就是更多的粒子拥有较高的能量，而不是较低的能量，这张图就会反转，对应温度的符号也会从正的绝对温度变成负的绝对温度。
Schneider及其同事，利用由钾原子构成的超冷量子气体，把温度降到了这种“低于绝对零度”的状态。他们利用激光和磁场将一个个原子维持在某种网格分布的格点上。在正温度下，原子相互排斥，整个结构得以保持稳定。然而，研究小组迅速调整磁场，使原子变得彼此吸引而非相互排斥。“这使得那些原子在突然之间，在来不及做出反应之时，就从它们最稳定的、能量最低的状态，转变到了能量最高的状态，”Schneider说，“这就像是你正走在山谷底部，突然发现自己立于高山之巅。”
在正温度下，这样的反转会使系统失衡，原子会向内坍塌。但这个小组还调整了囚禁激光场，使得那些原子仍然固定在它们的位置上。结果就是，原子气体的温度从绝对零度以上，变到了绝对零度以下几亿分之一度。这一结果被发表在《科学》杂志上。
诺贝尔奖得主、美国麻省理工学院的物理学家Wolfgang Ketterle表示，这项最新研究堪称“实验绝技”，他此前曾在磁场系统中演示过负绝对温度。奇异的高能状态在正温度下很难在实验室中产生，在负绝对温度下却变得稳定了——用Ketterle的话说，“这就好像你可以让一座金字塔头朝下立起来，又不用担心它会翻倒”——因此这样的技术，让科学家可以细致地研究这些奇异的状态。Ketterle说，“这或许是在实验室里创造出全新物态的一种方法。”
德国科隆大学的理论物理学家Achim Rosch说，这样的系统一旦建成，就会表现出奇异的特性。比如，Rosch及其同事计算表明，尽管在通常情况下，这团原子云会被重力向下拉扯，但如果部分原子云处在负的绝对温度，一些原子就会向上移动，明显在藐视重力。
低于绝对零度的气体还有另一项怪癖：它们能够模仿“暗能量”，也就是对抗引力推动宇宙越膨胀越快的神秘力量。Schneider指出，他们在气体原子之间产生出来的吸引力也想让整个系统向内坍缩，但系统没有坍缩，因为负的绝对温度使它们稳定了下来。“这种奇怪的特性出现在宇宙之中，也出现在实验室里，这很有趣，”他说，“这或许是宇宙学家应该更仔细来审视一下的东西。”
原文发布时间为：2017-12-11
本文作者：量子君
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