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温度是指分子热运动的平均动能,一般认为温度为 0K 即分子平均动能为零时才是宇宙中的最低温度,但实际上分子有一个最小的零点能(分子热运动的最小平均动能) ,因为分子在接近绝对零度时会发生“波色爱因斯坦凝聚” 即分子从最低能级开始排列,由于“泡利不相容原理 ”它们不可能都停在最低能级上,就像人不可能都住一楼,一楼住满肯定只有住二楼,所以分子动能不能都为零。 所以宇宙中的最低温度不是 0K,也许是 0.000000000(n 个 0)1K,怎么能说宇宙中的最低温度是绝对零度呢?宇宙最冷的地方在哪里?不在月球,尽管月球的温度可达到零下 192 摄氏度。最近,科学家可以告诉你,最低温度是在地球上最近看到的。不久前,麻省理工学院利用激光冷却技术,成功将体积相当于硬币大小的物体冷却到接近绝对温度零度,创造了激光冷却相同体积物体的最低温度纪录。 保持最低温度纪录 在超冷物理学中,低温下的粒子特性与常温不同。一些液化气体会变成“超流体”,而一些绝缘材料则会变成所谓的超导电体。在绝对零度下,意味着物质绝对不残留有任何一点点能量。然而,物理学家从来没有达到他们想得到的最低温度绝对零度,零下 273.59。 尽管如此,还是有一些科学家极力创造这种极限温度,麻省理工学院就有一支这样的科学家,目前还保持着 2008 吉尼斯世界纪录的最低温度纪录绝对零度以上万亿分之 810 华氏度。这是沃尔夫冈凯特乐及其同事于 2003 年创下的。 凯特乐向记者展示了这一纪录是如何创下的。他让大家戴上护目镜,以防止激光耀眼的光芒弄瞎了眼睛。他用激光让粒子慢慢停下来,从而冷却快速运动的原子粒子。他带领大家从他阳光明媚的办公室出来,穿过大厅,来到一间暗室里。房子里布满了相互连接的电线,小镜子、真空管、激光源和高性能电脑。他指着一个黑箱子兴奋地说:“就是这里。这是我打造最低温度的地方。” 凯特乐的成就源自他专攻一种名为玻色爱因斯坦凝聚(Bose Einstein Condensation,简称 BEC)的全新物质形态。此新形态为什么冠以玻色、爱因斯坦的名字呢?有这样一段插曲:1924 年,印度物理学家玻色对光粒子进行了这方面的理论研究,并把重要的研究结果告诉了爱因斯坦。 之后,爱因斯坦于 1925 年预言,如果将某些原子气体冷却到足够低的温度,那么所有原子会突然以可能的最低能态凝聚,它们将会像听从口令的士兵一样,编排成步调一致的整齐行列。一团混乱的气态物质,将会在顷刻之间,转换成高度有序的物质状态,物质的这一状态后来被称为玻色爱因斯坦凝聚。 70 年之后,凯特乐和其他 2 名科学家几乎同时制造了首个玻色爱因斯坦凝聚。他们 3 人为此获得了诺贝尔奖。凯物乐以此研究基本的物质特性,如可压缩性,更好地了解超自然的低温现象,如超流动性。最终,凯特乐像许多物理学家一样,希望发现新的物质形态,在常温下可用于像超导体,以改革人类的能源利用。 将光减速到静止状态 另一打造最低温度的科学家是哈佛大学的雷尼维斯特加德华,其最佳成绩是绝对零度以上百万分之几华氏度,接近凯特乐的成绩。而且雷尼也制造出了玻色爱因斯坦凝聚。她说:“我们现在每天都制造玻色爱因斯坦凝聚。”在她的实验室里,角落处的一个台球台大的平台看起来像迷宫,有许多微小卵形镜子和钢笔芯大的激光束。通过利用玻色爱因斯坦凝聚,她和她的同事做了一些不可能的事情:他们将光减速到静止状态。 我们知道,真空下的光速不变,为 297874 公里每秒。在现实世界不同于真空,当它经过玻璃或水时,光不仅会弯曲,还会慢慢减速。此外,再没有什么能比得上雷尼将闪耀的激光光线变成玻色爱因斯坦凝聚:就像将棒球扔进枕头中一样。她说:“首先,我们将其速度减慢到自行车的速度,再减慢至爬行速度,我们确实能让它停止。观察它,和它玩一把,之后再把它放走。”雷尼利用玻色爱因斯坦凝聚发现自然光的更多特性,并知道如何如何利用“慢光”来提升电脑处理速度,为贮存信息提供新途径。 然而,并不是所有的超冷研究都利用玻色爱因斯坦凝聚。比如,芬兰物理学家朱哈托里尼米奇妙地控制了铑原子核,获得了绝对零度以上万亿分之180 华氏度的低温。这一温度虽然没有上吉尼斯世界纪录,但专家认为胜过了凯特乐的成绩。世界最大对撞机将制造宇宙最低温度(组图)名为“Alice”的探测器是大型强子对撞机圆形隧道周围 4 个巨型探测器中的一个。重 1.25 公吨的 AliceAtlas 是一台巨型数字照相机,能够拍摄质子间 6 亿次碰撞的照片大型强子对撞机有能力让质子在一秒钟内完成 6 亿次碰撞。安装 Atlas 最后部件新浪科技讯 北京时间 7 月 24 日消息,据英国广播公司报道,在法国和瑞士边界下面的隧道修建的大型强子对撞机(LHC)正在制造一个宇宙中最冷的地方,它将把温度降低到 1.9 绝对温标(零下 271 摄氏度,或零下 456 华氏度),目前已经进入实现这一目标的最后阶段。这个目前世界上最大的对撞机拥有数千个磁体,它能利用液态氮维持这种寒冷的低温环境。这些磁体排列成环形,并沿着巨大的隧道延伸 27 公里。一旦大型强子对撞机开始运行,两条粒子流(通常由高能量加速的质子组成)将向下发射到那些穿过磁体的管子里。然后这些射线将以光速围绕主环向相反方向运行。在隧道上的限定点,这些光束将相互交叉,通过激变的能量彼此相互撞击。科学家希望在这些碰撞产生的碎片中发现新粒子,以便进一步了解宇宙的自然状态和它是如何产生的。大型强子对撞机是有史以来制造的最强大的物理实验仪器,它将重新产生宇宙大爆炸后的自然环境。到目前为止,大型强子对撞机的 8 个部分中已经有 6 个的温度达到 4.5 到 1.9 绝对温标之间的温度,不过在最后几个月的某个阶段,这个对撞机的所有部分的温度都将降低到 1.9 绝对温标以下。与之相比,遥远外空的温度大约是 2.7 绝对温标(零下 270 摄氏度或零下 454 华氏度)。洛博托萨伯恩领导了大型强子对撞机的电子元件试运行工作,他表示,为了在没有太大能量的情况下获得高磁场,这些磁体必须具有“超导性”。一些材料在温度非常低的环境下表现出的这种特性,能确保在零电阻和功率损耗非常低的情况下输送电流。氦在 2.2 绝对温标表现出惊人特性,因此成为“超流体”。这种特性让它能迅速传导热量,成为极其有效的制冷剂。萨伯恩解释说,至今还没有规模如此庞大的物理设备能在如此低的温度下运行。他说:“对于这个机器的试运转,我们拥有非常系统的方法。我们的座右铭是:科学没有捷径。将对撞机上如今冷却的部件温度改变,就像把它从月球上带回地球。这些部件需要大约 3 到 4 周时间进行加热。然后用 1 或 2 周进行转变。然后又需要 3 到 6 周时间再次降温。因此可想而知,我们犯下一个错误,就会白白浪费 3 个月时间。”目前大型强子对撞机的两个部件没有达到要求的低温,因此实验无法继续进行。在碰撞期间,这些部件内控制低温系统的电子将被转移到一个能屏蔽粒子的区域,以防止它们从这台机器中射出。大型强子对撞机的磁体还必须经历电试验。该机器的每个部分大约包含200 个电路。每个电路可能由 154 个磁体或 1 个磁体构成。研究人员将对它们进行测试,以确定它们处理非常高的电流(高达 1.2 万安培)的能力。萨伯恩说:“我们给每个电路供能,确保它能在计划的电流范围内正常运行。但是首先我们必须检查它周围的保护系统(用来发现可能会出现的熄灭现象)是否能按照预计结果运行。”一些部分的磁体开始加热时会发生熄灭现象,以便阻止电流通过。工程师已经制成了一个恢复系统,它能在熄灭现象影响磁场改变环状物周围的粒子方向,并切断循环光束前发现这些现象。这台机器的制冷器将再用 2 周时间才能完成,目前没发现严重问题。对这台机器进行电流测试另外需要两周时间。在大型强子对撞机第一次“接通”前,质子光束将通过一个被称作喷射器的粒子加速器达到高能状态。一旦这台机器的温度降低,操作员将把光束发射到主环内,迫使它们通过每一个独立部分,直到断开电路。研究人员利用一个定时系统(或称同步系统),确保每个部分都能像一个独立机器一样运行。大型强子对撞机接通后,它能在 5 万亿电子伏特的高能下运行。冬季它将被关闭,以便这些磁体能被“训练的”可以在 7 万亿电子伏特的高能下处理光束。
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