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追寻绝对零度百年历程:激光冷却与LHC

2013-09-22 09:47
科技潮人
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  ——人类已经耗费了100多年的时间,试图达到绝对零度,尽管还没有到达目的地,但这段神奇的旅途已经为人类提供了很多绝美的“风景”,促使科学家们做出了很多重要的研究发现,其中最著名的当属大型强子对撞机(LHC)内使用的超导体;以及有望成为量子计算机的量子比特的马约拉纳费米子等。这或许是一段永无止境的追寻。

  据英国《新科学家》杂志网站6月25日报道,到达绝对零度是一个令人想来就会心生胆怯的目标,一百多年来,人们上下求索,但从未到达,不过,这绝非一场堂吉诃德般徒劳无功的探索,而是如少年派和孟加拉虎在海上漂流一样,是一场处处有惊喜的奇幻之旅,这段探索之旅催生了很多科学奇迹,是自然馈赠给人类的“意外之礼”。

  绝对零度:诺贝尔奖催化剂

  我们很小的时候,就开始与温度打交道。父母们总是会不厌其烦地确保孩子房间里温暖如春;洗澡水的温度“刚刚好”;而有些东西则“太烫了,不能碰”。

  随着我们慢慢长大,我们开始用数值来表示对温度的感觉。我们知道,水到了零度就会结成冰;气温20摄氏度左右,会让我们感觉凉爽宜人;人体处于37摄氏度时最舒服自在。随着我们对温度的认识不断强化和深入,在某个节点上,或许是在上学时,我们同另一个远离日常生活的温度——绝对零度狭路相逢。

  绝对零度就是开尔文温标定义的零点。0K约等于摄氏温标零下273.15度。绝对零度是冷的极致,是一种理想的无法达到的完美冰冷状态,就如瑞典著名儿童文学女作家、国际安徒生奖获得者阿斯特丽德·林格伦在其名著《米欧,我的米欧》中描述的浪漫且神秘的“遥远之国”一样,是一个人类会无限接近,但永远也无法到达的“美丽新世界”。

  但即便如此,自从这一概念于十九世纪中叶首次出现以来,很多人终其一生的努力目标就是离它更近一点。这看起来是一场堂吉诃德式(崇高但无实际意义)的追寻,但实际情况并非如此。

  今年是首个与绝对零度有关的诺贝尔物理学奖被授予100周年,自此,绝对零度就像诺贝尔奖的催化剂一样—科学家们在追寻绝对零度的过程中,做出的很多美丽的意外发现多次摘得诺贝尔奖的桂冠。例如,华裔物理学家朱棣文曾因发明了激光冷却和磁阱技术制冷法而与另两位科学家分享了1997年的诺贝尔物理学奖。2001年的诺贝尔物理学奖由因发现了“碱金属原子稀薄气体的玻色-爱因斯坦凝聚”这一新的物质状态的德国科学家沃尔夫冈·克特勒摘得等等,不一而足。

  在迈向绝对零度的过程中取得的每个进步,都展示出了一些别样的、独一无二的美丽和有序;催生出一批工程上的奇迹;强化了我们对一些基本科学概念的理解,尤其是对温度和物质概念本身的理解。

  绝对温度之下:万籁俱寂

  对温度的熟视无睹会使我们很容易忽略这一概念常常会给我们带来多大的惊喜。早期的自然哲学家,比如意大利物理学家、天文学家、哲学家、近代实验科学的先驱者伽利略·伽利雷,英国物理学家、数学家、天文学家艾萨克·牛顿,英国化学家罗伯特·波义耳将热看成是名为热质(caloric)的液体,这一说法的影响可谓十分深远——直到今天,我们仍然说热“流”。而另外一些哲学家则认为,冷是由一些“致冷原子”造成的。

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