量子温度计可以测量比宇宙中最冷的地方还要冷十亿倍的费米气体

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资讯发布 发表于 2020-11-21 19:12:52 | 显示全部楼层 |阅读模式

温度计现实上是一种系统,它的物理性子随温度的变化而变化,且这种变化可以推测。例如,我们可以通过体温计中水银的膨胀来测量我们的体温。如今,物理学家提出了一种基于量子纠缠的温度计,这种温度计可以正确地测量比外太空低十亿倍的温度,它是通过测量与量子气体纠缠的单个原子的状态而获得的。


量子温度计可以测量比宇宙中最冷的地方还要冷十亿倍的费米气体


这些超冷的温度在被称为费米气体的原子云中出现,这是科学家们为了研究物质在极端量子状态下的举动而创造的。宇宙中所有的粒子被分为两个范例,一种叫做玻色子,另一种叫做费米子。在非常低的温度下,玻色子和费米子的举动完全差别。玻色子喜欢聚集在一起,而费米子却恰好相反,它们会互相排斥保持肯定的距离,这种特性使得它们的温度难以测量。

物理学家研究气体的方法是通过其统计举动来进行的,这一方法的发明可以追溯到19世纪物理学家玻尔兹曼等人的身上。这些物理学家以为,气体的宏观现象,如温度和压力等,都可以从原子的微观运动来理解。而大量原子的统计举动则构成了我们所见到的宏观现象。


量子温度计可以测量比宇宙中最冷的地方还要冷十亿倍的费米气体


到了20世纪初,量子力学开始发展起来了,它是物理学中最重要和最正确的理论之一。量子力学中一个闻名的预言是单个原子具有波状特性,这意味着在临界温度以下,它们可以与其他原子结合成具有奇特性子的单一宏观波。这一推测导致了长达一个世纪的到达临界温度的实验探索。20世纪90年代,第一批用激光冷却并用强磁场捕捉的超冷气体终于获得了乐成,这项成就在2001年获得了诺贝尔奖。

如今,实验室里制造出像这样的超冷气体已经是常规操纵了。这些超冷气体有很多用途,它们可以测试一些基本的物理理论,也可以用来探测引力波。这些气体的温度非常低,处于纳开尔文量级,可以这么说,这些气体比宇宙中最冷的地方还要冷十亿倍。


量子温度计可以测量比宇宙中最冷的地方还要冷十亿倍的费米气体


传统上,超冷气体的温度是从它的密度推断出来的:在较低的温度下,原子没有充足的能量分散开来,使气体更加致密。但是即使在超低温下,费米子总是相距甚远,所以在某些时候费米气体的密度与温度无关。因此,物理学家提出了用差别种类的原子作为温度探针的想法。

假设有一个由锂原子构成的超冷气体。你如今拿一个差别的原子,好比说钾原子,然后把它浸入气体中。与附近原子的碰撞改变了你的钾探针的状态,这让你有了推断气体温度的依据。从技术上讲,这种方法涉及到创造一种希奇的量子叠加,这种叠加会随着时间的推移发生变化,对温度非常敏感。


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这不但仅是一个迢遥的想法,物理学家提出的方法现实上可以通过现代原子物理实验室的技术来实现。在各种新兴的量子技术中,像量子温度计这样的量子传感器可能会产生最直接的影响。


来源:https://www.toutiao.com/a6863333997267649032/
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