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宇宙中最低的温度,可将光速降到每秒数米,甚至制造黑洞!


————【精彩文章回顾】————

在这个宇宙中,温度有两个极限。

一个最高极限,普朗克温度,宇宙大爆炸第一个瞬间的温度,1.416833×10^32K;

一个最低极限,绝对零度,零下273.15摄氏度,一个永远也不可能达到的极限,除非原子完全静止,没有任何运动。

而这是违反量子力学不确定性原理的,因为粒子停止运动就意味着我们可以同时准确测得它的位置和速度,所以绝对零度是永无可能达到的,但这并不妨碍我们可以无限逼近它。

那么物质在逼近绝对零度的情况下会发生些什么呢?

爱因斯坦推测它们会凝聚到能量最低的可能量子态中,导致一种全新的相态,这就是玻色-爱因斯坦凝聚。

1995年科学家们成功将铷-87原子温度降低到170nK,获得了玻色-爱因斯坦凝聚,获得了这种相态的一些观测数据。

但是玻色-爱因斯坦凝聚极不稳定,外界的些微扰动都会使物质重新获得能量,脱离凝聚态。

在地球上,重力的作用不可避免地会导致原子向地面沉降,科学家们往往只有几分之一秒的时间来观测好不容易才制成的玻色-爱因斯坦凝聚。

科学家们于是想到了外太空,如果把实验搬到空间站上,估计可以获得5-10秒的观测时间。

美国宇航局(NASA)喷气推进实验室冷原子实验室的团队就设计了这样一个包含激光器、真空室和电磁“刀”的实验盒,并在2018年夏天把它发送到了国际空间站,希望在太空里把原子冷却到仅比绝对零度高十亿分之一度的温度,创造已知宇宙中最冷的环境。科学家们有信心将这个状态维持数百秒的时间,从而进行更好的观测研究,不过前我还没有看到研究成果

那么这个极低的温度是如何实现的呢?

我们知道温度就是原子、分子运动能力的量度,原子运动越快,温度便越高,要冷却它,关键是要降低它的运动速度。

科学家们运用激光冷却技术找到了降低原子速度的方法,从而不断地逼近绝对零度。

这种方法就是让激光撞击相向而来的原子,使它的外层电子受到激发,辐射出光子,带走能量,从而不断降低原子的运动速度,有点像你用子弹不断射击迎面向你滚来的球,球的速度会逐渐减慢。

科学就是在不断追求极致中进步,日心说追求天体运动轨迹的极致,推翻了地心说;

牛顿追求物体运动规律的极致,发现了万有引力定律;

爱因斯坦追求时间空间中物体运动的极致,创立了相对论。

追求物质最低温度的极致,使科学家们可以更好地理解物质、重力,甚至暗物质和暗能量,可以研究用于航天器导航的新传感器,促进量子计算机和原子钟的发展。

玻色-爱因斯坦凝聚具有极高的光学密度差,可以“冻结”光,使其降到数米每秒,科学家们可以用来观测物质的更多属性和现象;

自转的玻色-爱因斯坦凝聚甚至可以让入射光无法逃离,科学家们可以用它来建立真实安全的黑洞模型进行研究。

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