最近，華盛頓州大學(xué)(WSU)的物理學(xué)家創(chuàng)造了負(fù)質(zhì)量的超液體。當(dāng)然，這并不意味著用秤稱物質(zhì)時(shí)讀數(shù)會(huì)顯示負(fù)數(shù)，而是一種機(jī)械表現(xiàn):推動(dòng)物質(zhì)時(shí)，不會(huì)沿力的方向加速，而是逆著推力加速。

這項(xiàng)研究發(fā)表在最近的《物理評(píng)論快報(bào)》上。領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的WSU物理和天文學(xué)系助理教授邁克爾·福爾斯說(shuō):“這種現(xiàn)象很難在實(shí)驗(yàn)室里產(chǎn)生，但它具有重大意義，可以用來(lái)加深我們對(duì)宇宙的理解?！?/p>

福布斯教授說(shuō)，牛頓第二定律(F=ma)告訴我們，作用在物體上的力等于物體質(zhì)量與其加速度的乘積。通俗地說(shuō)，我們推一個(gè)正質(zhì)量的物體，它就會(huì)被我們往前推。但對(duì)于質(zhì)量為負(fù)的物體，其加速度與力相反。當(dāng)我們推一個(gè)負(fù)質(zhì)量的物體時(shí)，我們會(huì)被它推回去。

我們可以敞開(kāi)心扉。負(fù)質(zhì)量會(huì)在我們的生活中產(chǎn)生哪些有趣的現(xiàn)象？

所有在街上跑的負(fù)質(zhì)量車，都是倒擋向前飛；超市顧客被負(fù)質(zhì)量的手推車?yán)白?；?dāng)發(fā)射火箭時(shí)，他們不再擔(dān)心燃料。在固定架打開(kāi)的瞬間，負(fù)質(zhì)量的火箭像轟炸機(jī)投下的炸彈一樣“墜落”很深/[/k0/】。當(dāng)然，這些想象都是荒誕而遙遠(yuǎn)的，這個(gè)發(fā)現(xiàn)的負(fù)面質(zhì)量也遠(yuǎn)不是這個(gè)水平。

物理學(xué)家的魔術(shù)表演

其實(shí)這個(gè)發(fā)現(xiàn)并不是什么新物質(zhì)，而是物理學(xué)家用一堆銣原子(質(zhì)量為正)表演的魔術(shù)表演。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，它甚至不能稱之為負(fù)質(zhì)量物體，而是一種負(fù)質(zhì)量現(xiàn)象或負(fù)質(zhì)量效應(yīng):在某一狀態(tài)，某一時(shí)間空區(qū)域，突然牛頓第二定律需要加上一個(gè)負(fù)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程是這樣的。福布斯教授和他的團(tuán)隊(duì)用激光在一個(gè)小區(qū)域內(nèi)束縛了10000個(gè)銣原子(87Rb)，然后用另一個(gè)激光將它們冷卻到接近絕對(duì)零度。這時(shí)，銣原子進(jìn)入了一個(gè)全新的狀態(tài):玻色-愛(ài)因斯坦凝聚(BEC)。在玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)，不會(huì)有單個(gè)原子，這一萬(wàn)個(gè)銣原子會(huì)融合在一起，變成混沌。

這個(gè)BEC被困在一個(gè)雪茄形狀的一維勢(shì)阱中。福布斯使用另外兩種激光使銣原子產(chǎn)生自旋軌道耦合SOC。SOC BEC的能量色散曲線不再是通常的拋物線，而是在底部附近有一個(gè)小突起。這個(gè)區(qū)域的曲率為負(fù)，對(duì)應(yīng)負(fù)的等效質(zhì)量。擴(kuò)散到這個(gè)區(qū)域的BEC相應(yīng)地具有負(fù)質(zhì)量。

起初，BEC被困在左邊能量最低的地方。福布斯解除束縛后，這個(gè)BEC開(kāi)始擴(kuò)散，左側(cè)正常擴(kuò)散，右側(cè)擴(kuò)散到負(fù)質(zhì)量區(qū)(圖a中的灰色帶)。影響信號(hào)還表明BEC的擴(kuò)散明顯受阻，好像被什么東西擋住了。

想象地上有一桶沙子。當(dāng)桶壁被移除時(shí)，沙子會(huì)由于重力而四處擴(kuò)散。當(dāng)沙子向某個(gè)方向擴(kuò)散到負(fù)質(zhì)量區(qū)時(shí)，它就不再向外擴(kuò)散而是向內(nèi)匯聚，因?yàn)橹亓υ谶@個(gè)區(qū)域由引力變?yōu)槌饬?。這時(shí)沙堆就像被墻擋住了一樣。由10000個(gè)銣原子形成的BEC就像這堆擴(kuò)散的沙子，開(kāi)始在負(fù)載很重的區(qū)域掉頭回去。

銣原子永遠(yuǎn)是原來(lái)的銣原子，是正品，有正質(zhì)量。所謂負(fù)質(zhì)量，不過(guò)是精密儀器制造出來(lái)的假象。其實(shí)這個(gè)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的負(fù)質(zhì)量是一種量子現(xiàn)象，很多量子現(xiàn)象都是原子尺度的，很難觀測(cè)到。這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以用相機(jī)宏觀觀察，也得益于一個(gè)物理現(xiàn)象:玻色愛(ài)因斯坦凝聚。

玻色愛(ài)因斯坦凝聚

物理學(xué)家是一群經(jīng)常去一個(gè)叫LASER的酒吧，總喜歡點(diǎn)一個(gè)Bose-Einstein凝聚體的酒鬼。

玻色愛(ài)因斯坦凝聚是一種特殊的物質(zhì)凝聚態(tài)，由相同的玻色子在極低的溫度下形成。

世界上所有的原子都可以分為兩類，費(fèi)米子和玻色子。費(fèi)米子遵循費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)。這意味著所有費(fèi)米子都必須符合泡利排斥原理，多個(gè)費(fèi)米子不能處于同一量子態(tài)。

一般來(lái)說(shuō)，很多費(fèi)米子不可能同時(shí)處于同一位置，具有相同的能量，使得電子等物體很難通過(guò)物體。相比之下，玻色子遵循“玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)”，即多個(gè)玻色子可以處于同一位置，使得光子這樣的粒子不占據(jù)空。

在量子力學(xué)主導(dǎo)的微觀世界中，原子的能量是離散的，只能取每個(gè)能級(jí)的值。

打個(gè)不恰當(dāng)?shù)谋确?，我們把原子能?jí)比作100層的酒店建筑，每一層都是一個(gè)能級(jí)，第一層是能量最低的基態(tài)。級(jí)別越高，能量越大。Atomizo是住在酒店的旅行者?，F(xiàn)在有一個(gè)20人的土豪旅行團(tuán)想入住酒店。他們路途遙遠(yuǎn)，都想待在最底層。但是土豪人不愿意和別人住一層。最后，從一樓到二十樓每層只住一個(gè)客人。后來(lái)來(lái)了一個(gè)20人的屌絲旅游團(tuán)。這些人不介意和別人共用一層樓。最后這20個(gè)人都住在一樓。土豪客是費(fèi)米子，屌絲客是玻色子。

1924年，30歲的印度物理老師Bose今天發(fā)表了第一篇論文，名為《玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)》。次年，愛(ài)因斯坦完善和發(fā)展了這項(xiàng)工作，并大膽提出了“凝聚”的概念:當(dāng)一個(gè)符合“玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)”的同一個(gè)玻色子的溫度下降到臨界溫度以下時(shí)，一個(gè)宏觀數(shù)量的原子會(huì)突然凝聚成一個(gè)動(dòng)量為零的單個(gè)量子態(tài)，就像所有的客人都搬到酒店的一樓一樣，從而呈現(xiàn)出一個(gè)完整的量子態(tài)，被后世稱為“玻色-愛(ài)因斯坦凝聚”。

然而，一百年前提出的這一理論的實(shí)現(xiàn)有著坎坷的道路，需要許多物理學(xué)家不懈的努力才能實(shí)現(xiàn)。

1995年，康奈爾教授和科羅拉多大學(xué)的威曼教授通過(guò)激光冷卻和蒸發(fā)冷卻技術(shù)的結(jié)合，將銣原子的溫度降低到170毫微開(kāi)爾文，最終實(shí)現(xiàn)了玻色愛(ài)因斯坦凝聚。他們也因此獲得了2001年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

玻色愛(ài)因斯坦凝聚體有許多有趣的性質(zhì)。比如它可以有異常高的光密度差，凝結(jié)中的光速可以降到每秒幾米。旋轉(zhuǎn)的凝聚可以作為黑洞的模型，入射光會(huì)被“凍結(jié)”，難以逃逸。另外，具有很強(qiáng)的可操作性?？茖W(xué)家可以通過(guò)改變激光強(qiáng)度和共振頻率來(lái)改變?cè)拥臓顟B(tài)，進(jìn)而獲得所需的凝聚態(tài)性質(zhì)。

更重要的是，它提供了從宏觀角度研究微觀量子現(xiàn)象的工具。許多量子效應(yīng)只能在原子尺度上實(shí)現(xiàn)，我們?nèi)狈线m的觀測(cè)方法。而玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)的原子具有統(tǒng)一的行為，原子尺度的量子現(xiàn)象可以放大幾千倍，從而可以用更方便的探測(cè)方法來(lái)研究規(guī)律。這個(gè)負(fù)質(zhì)量實(shí)驗(yàn)本質(zhì)上是利用玻色愛(ài)因斯坦凝聚放大效應(yīng)研究一種微觀量子現(xiàn)象。

在未來(lái)的探索中，玻色-愛(ài)因斯坦凝聚將顯示出更有趣的量子效應(yīng)，幫助我們研究更極端的環(huán)境。

福布斯說(shuō):“我們對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)條件有著精妙的控制。這種控制給研究人員提供了一種研究宇宙中神奇現(xiàn)象的新工具。他們可以用它來(lái)模擬宇宙的極端環(huán)境，比如中子星、黑洞、暗能量?！?/p>

-結(jié)束-

參考:

自旋軌道耦合玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體中的負(fù)質(zhì)量流體動(dòng)力學(xué)。PhysRevLett.118.155301

https://phys.org/news/2017-04-physicists-negative-mass.html

DeepTech Deep Technology從世界各地招聘記者和編輯。申請(qǐng)加入:hr@mittrchina.com