量子“冰箱”
当把冷牛奶倒入热茶杯中，杯中液体的温度很快就能均衡。牛奶小滴和茶水粒子相互作用，一会儿之后，它们所携带的能量就变成了相同的平均值。这个过程称为热化。热化在气体降到极低温度的过程中发挥着极为关键的作用。但让人意想不到的是，即使是那些抑制热化效应的气体也可冷却。维也纳技术大学（TU Wien）的科学家们对此现象进行了更深入的研究，他们发现可以在气体冷却过程中找到一些量子力学方面的原因。
剔除高温粒子
“构成液体或气体的粒子具有不同的能量”，维也纳技术大学的约格·施米德梅耶教授说。能量的分布取决于温度。气体温度越高，其中携带高能量的粒子数越多。因此，为了降低气体的温度，人们找到了一个简单的窍门——借助电磁场的帮助，将携带最高能量的粒子从气体中移除。气体中剩余的粒子相互作用，重新分配能量，使气体又重新回复到典型的能量分布状态，只是温度比之前要略微降低了一些。
“这有点像对着茶水吹气来使茶水变凉”，本哈德·劳尔（Bembard Rauer）说，他负责施米德梅耶研究团队的实验部门。“携带最高能量的粒子离开液体，然后被吹走了。剩下的茶水很快达到了温度略低些的均衡状态。”
但是在不少案例中，要达到这样的热平衡是不可能的。比如牛顿摆，摆上有几个球悬挂在线上，球摆成一条直线。当其中一个球动了起来，撞击了其他的球，直线另一端的球会被抛开，而其他球则不动。“在这个案例中，球体彼此之间只能交换能量。并不存在很多不同能量的个体之间的热力分配”，本哈德·劳尔如是说。
劳尔研究的系统与牛顿摆相似，即通过电磁阱将一维的气体原子排成一条直线。这些原子像牛顿中的球体一样，只能交换自身的能量。因此，在这个案例中，通过移除携带最高能量的粒子来冷却气体的机制失效了。当最快的粒子逃逸出去以后，剩余的其他粒子再也不能获得相同的速度。根据这个简单的模型可知，消失掉的能量就永远消失了。
令人惊奇的是，对于一维的气体而言，该结论是不对的。通过不停地移除粒子，可以除低温度，而且根据区分快慢粒子这种简化的图景，就能将能量降低得远比人们预期的更低。
量子波浪
能够冷却气体的原因在于粒子只能从量子力学的角度加以理解，优格·施米德梅耶表示“我们不应该认为单个粒子的撞击会像牛顿摆中的球体撞击一样。相反，我们必须考虑集体激发，它分布在很多粒子上面——就像波浪由很多水分子一起承载着一样”。这些量子波浪储存着系统中的能量，从气体中移除的粒子越多，这些波浪变得越稀薄。这便是量子力学的冷却机制，而根据简单的经典自然法则，这应该是不可能成立的。
“在低温时，气体表现得越来越接近量子力学的状态，在我们看来，这尤为关键”，优格·施米德梅耶说，“真让人兴奋，因为那正我们感兴趣的地方——通常量子力学是在简单的系统中被研究的，其中只有少量的粒子，比如一个原子再加上几个电子。但现在我们的系统由成千上万个原子组成，却无可辩驳地表现出了量子特征。”
编译：一米阳光
来源：蝌蚪五线谱
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