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標 題: [科學人][科學馬戲團] 如何讓溫度接近絕對零度並加以測量？
發信站: 政大狂狷年少 (04/07/05 18:05:14 Thu)

如何讓溫度接近絕對零度並加以測量？

美國麻省理工學院的凱特利解釋：

（凱特利曾因超冷原子的研究工作獲頒2001年諾貝爾物理獎）

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首先，讓我介紹溫度在科學上的意義：它是物質裡含有能量多寡的一種度量。
空氣分子熱的時候移動得快，有較高的動能。分子越冷，速度就越低，能量也
越少。絕對零度就是 0 K，也就是-273℃或-460℉。


冷卻的過程需要從一個物體取出能量，然後將它排放到其他的地方。藉著結
合雷射冷卻與蒸發冷卻，科學家已經可以讓一團氣體原子的溫度，降到1nK（
即1nanokelvin，10-9K）以下。現在的紀錄是450pK（1 picokelvin為10-12K），
由我們的小組發表在2003年9月12日的《科學》雜誌上。


以雷射冷卻時，被冷卻的原子會散射雷射光。射入的雷射光子先被吸收，然
後在不同的方向重新射出。平均說來，散射光子的顏色會比雷射光稍微偏藍。
也就是說，散射光子的能量較吸收光子的能量稍高。由於總能量守恆，光子能
量的差額取自原子的運動，原子因而被減速。


當原子雲變得較為稠而冷的時候，冷卻效應會由其他過程主導，它們也會讓
原子有些微小的顫動。這些過程包括讓原子經由光散射時造成的不規則反彈而
彼此碰撞，以釋放能量。不過，到了這個階段，原子已經夠冷了，可以被磁場
限制住。


我們選的原子種類是那些含有未配對電子的，因此帶有磁矩。這些原子就像
微小的條形磁鐵。外加的磁場讓原子可以抵抗重力而飄浮，也讓它們靠在一起；
結果這些場就像無形的牆，將原子困在一個磁籠裡。


蒸發冷卻可以選擇性地將系統裡能量最高的原子移除。在磁力的拉曳下，磁
阱裡能量最高的那些原子，比冷的原子跑得更遠，可以到達磁場較高的區域。
當原子在較高的磁場時，它們會和無線電波或微波形成共振，這會造成磁矩的
改變，使得這些原子飛離磁阱。


我們如何來測量這些原子的極低溫度？一個方法是直接觀看原子雲的大小。
原子雲越大，裡頭原子的能量一定越高，因為它們可以抵抗磁力而跑得更遠。
另一種方法是測量原子的動能。將磁阱關掉，沒有磁力時原子會飛開，使得原
子雲不受阻礙而膨脹。原子雲隨時間變大，這是一種觀測原子速度的直接方式，
因此可以得到溫度。在一定的膨脹時間後，如果看到的原子雲較小，則意味著
達到較低的溫度。



----------------------------------------------------------- 完 -----------


http://sa.ylib.com/circus/circusshow.asp?FDocNo=468&CL=8


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