凍結原子的「惡魔」-科學人雜誌
物理學

凍結原子的「惡魔」

2011/04/28 雷增(Mark G. Raizen)
19世紀的思想實驗「馬克士威的惡魔」,已經成為真實的超低溫技術,這不僅帶我們走上嶄新的科學發現之路,也帶來極佳的用途。

重點提要

  1. 將氣體冷卻到接近絕對零度的傳統方法僅適用於數種元素。
  2. 搭配運用兩項新穎的技術,可以冷卻絕大多數元素的原子,甚至可冷卻某些分子。
  3. 有一種看似違反熱力學第二定律的技術,可具體實行19世紀的一項思想實驗:馬克士威的惡魔。
  4. 這項技術的用途十分廣泛,自此不必借助昂貴的加速器便可研究基礎粒子的特性,也有助於純化同位素以供醫療及研究用途。

當你在閱讀這篇文章時,空氣分子正以3000公里的時速從你身旁穿梭而過,不僅速度比子彈快,而且從四面八方襲來。在此同時,構成你身體的原子和分子也正不停翻滾、振動或互相碰撞。自然界中沒有任何東西是完全靜止的,物體的行進速度越快,蘊含的能量就越大。原子和分子的集體能量,就是我們所感受到的熱。


至於完全靜止,也就是溫度上的絕對零度(0K),在物理上雖然不可能存在,但科學家已經越來越接近這個最終極限。在這類極端情況下,奇特的量子效應會開始浮現,形成不尋常的新物質狀態。尤其值得注意的是,將氣態原子雲(而不是液態或固態物質)冷卻到絕對溫標的幾分之一度時,研究人員將可觀察到物質粒子的波動特性,並依此建造出史上最精準的測量儀器,製作出最精確的原子鐘。


但是這類原子冷卻技術有個缺點,就是只適用於週期表中的某些元素,因此用途大受限制。舉例來說,最簡單的原子「氫」長年以來一直很難冷卻。不過,現在我們的研究團隊找到了新的冷卻方法,不但適用於大多數元素,也可用於許多種分子。


我的靈感來源是馬克士威(James Clerk Maxwell)在維多利亞時代提出的思想實驗。這位偉大的蘇格蘭物理學家提出一項理論,認為可能有個不遵守熱力學定律的「惡魔」。


這項新發現將可為基礎研究開拓出一條新方向,同時帶來各種實際用途。舉例來說,這項技術的各項變化或許有助於開發新的製程,純化在醫學和基礎研究上都有重要功用的稀有同位素。另外或許還有一項附帶效益,就是提升電腦晶片奈米製程技術的精確度。在科學方面,研究人員可藉由冷卻原子和分子,探索介於量子物理和一般化學之間這塊目前還沒有人探究過的領域,或是發掘物質和反物質之間可能的特性差異。另外,超冷氫原子及其同位素還有助於小型實驗室解答某些原本必須借助粒子加速器等大型實驗儀器才能解決的基礎物理問題。


飛快的子彈

凍結並操縱原子和分子並不是件簡單的事。在典型的實驗中,研究人員先加熱固態的特定化學元素,製造出純化的氣體,或以雷射直接汽化;接著將氣體減速,局限在真空室中,並與真空室內壁保持距離。


我採用的技術是「古法」。40多年前,化學家發現在好幾個大氣壓力下,讓氣體通過小孔,進入真空,氣體會在膨脹時明顯冷卻。最重要的是,這類「超音速氣體束」接近完全「單能狀態」(monoenergetic),也就是氣體分子的個別速率相當接近平均值。舉例來說,如果氣體束的時速為3000公里,那麼其中分子的個別時速與平均時速的差距最多為30公里。相較之下,室溫下的空氣分子平均時速同樣為3000公里,但個別分子的時速卻可能從0~4000公里都有。


從熱力學的觀點看來,這表示氣體束雖然擁有相當大的能量,溫度卻非常低。我們可以將它想成這樣:假如觀察者與氣體束同樣以時速3000公里前進,便會覺得氣體分子移動得非常慢,而氣體束的溫度則會低到只有0.01K(也就是絕對溫標的0.01度)!


我發現,如果我們能將此類氣體束的速度減到極低,同時盡量縮小個別速度的分佈範圍,就可得到極低溫的原子團,便於捕獲並進一步冷卻。


為了達到這個目標,我們的團隊於2004年開始與以色列特拉維夫大學化學家伊文(Uzi Even)合作,研究超音速氣體束。我們的第一次嘗試是製作一枚邊緣有葉片的轉子,以超音速氣體束的一半速度旋轉,且葉片會慢慢後退。我們讓氣體束對準轉子上的葉片,並且讓葉片後退的速度確切抵消氣體束的速度。氣體原子從轉子上彈開時,轉子會吸收氣體原子的所有動能,這就像網球拍邊後退邊攔截網球,便可讓網球停.....



更多文章
活動推薦更多
追蹤科學人