地球能够诞生出生命,因为它拥有非常合适的温度,地球的平均气温是15℃,这个温度对人类来说不热也不冷,当然地球不全都是15℃,有的地方可能达到50℃,比如赤道地区;有些地方能低到-73℃,比如世界寒极南极洲大陆内部。1983年7月21日俄罗斯南极科学考察站沃斯托克站纪录到-89.2°C(-128.6°F)的低温,2010年再次记录到-82.5°C(-116.5°F)的低温。-89.2°C是什么概念,即使你吐一口口水, 口水刚出嘴巴就变成冰了,在这种极寒环境中,做任何事都极其困难,甚至人一进入到这个环境就变成冰人了,立刻会被冻死了。那南极的冰就是世界最冷的物质了吗?
事实是世界上最冷的物质不是冰,它们不在南极,也不在珠穆朗玛峰的顶端或埋于冰川之下,它们在物理实验室里:气体云,它们的温度只比绝对零度高一点,这比冰箱冷3.95亿倍,比液氮冷1亿倍,比外太空冷400万倍。如此低的温度为科学家们打开了一扇了解物质内部运作的窗户,使工程师们得以建造非常灵敏的仪器,以告诉我们更多。从我们在地球上的确切位置,到宇宙最深处正在发生的事情,我们怎样才能创造出这样的极端温度呢?简单的说,减缓粒子运动。当我们谈论温度时,我们实际上谈论的是运动。构成固体、液体、气体的原子一直在运动,原子运动得越来越快时,我们认为物质是热的,当原子运动越来越慢时,我们认为物质是冷的。为了在日常生活中让热的物体或气体变冷,我们把它放进一个更冷的环境,比如冰箱,热物体的一些原子运动,被转移到周围环境中,并冷却下来。但这是有限度的:即便是外太空也太暖而无法产生超低温。因此,科学家找到了一种,直接降低原子速度的办法,用激光束,在大多数情况下,激光束中的能量会使物体变热,但需要十分精确,光束的动量能囚禁运动原子,使它们冷却,这就是所谓的磁光阱。原子被注入真空室,磁场会把它们吸入中心,瞄准真空室中部的激光束,被调到恰当的频率,朝它移动的原子会吸收激光束中的光子,并使其速度减缓,减速效应来自于,原子和光子之间的动量转移。一共有六束,垂直排列,确保截取各个方向运动的原子。在中心,光束相交的地方,原子运动缓慢,好似被困在黏稠的液体中,发明它效果的研究人员称其为“光学糖浆”。像这样的磁光阱,可以把原子冷却到几微开,约-273摄氏度。
这项技术在20世纪80年代发展起来的,为此做出贡献的科学家们,在1997年获得了诺贝尔物理学奖。从那时起,激光冷却技术得到的改进,甚至达到了更低的温度。但为什么要使原子冷却这么多呢?首先,冷原子可以成为很好的探测器。由于能量很少,它们对环境的波动十分敏感,因此它们被用于勘探地下石油和矿藏。它们也用于制作高度精密的原子钟,就像全球定位卫星中使用的原子钟一样。其次冷原子具有探索物理学前沿的巨大潜力,它们的高度灵敏使其成为未来太空探测器探测引力波的候选者。它们对研究原子和亚原子的研究也很也很有用处,这需要测量原子能量的微小波动。当原子以每秒数百米的速度运动时,它们在常温下被淹没。激光冷却可以将原子的速度减慢到每秒几厘米---足够让原子量子效应引起的运动变得明显,超冷原子能使科学家们研究诸如玻色---爱因斯坦凝聚这样的现象。其中原子几乎被冷到绝对零度,并成为一种罕见的物质新状态。研究人们继续他们的探索,以了解物理定律,并解开宇宙的奥秘,他们将在宇宙中最冷的原子的帮助下做到这一点。
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