新浪科技讯 北京时间1月5日消息，据《自然》杂志网站报道，尽管听起来可能有些让人感觉难以置信，但物理学家们近期真的制造出了一种原子气体，其温度低于绝对零度。他们所开创的这项技术将有望创造出具有“负温度”的物质材料并发展出相应的新型量子态，甚至还将有可能解答有关我们这个宇宙的基本谜团。<br/><br/>开尔文爵士在19世纪中叶最先定义了绝对零度的概念，指出任何物质的温度都不可能低于这一温度极限，即绝对零度。后来，物理学家们意识到气体的绝对零度定义与其中所含有粒子的平均能量有关。绝对零度所对应的状态也就是粒子失去全部能量因而完全无法运动时的温度。当温度上升，气体粒子获得能量，于是其活动也逐渐加剧。<br/><br/>然而到了20世纪50年代，研究某些特殊性质物质的物理学家们逐渐意识到事情可能并不完全如此。乌尔·施耐德(Ulrich Schneider)是德国慕尼黑大学的一位物理学家，他表示：严格意义上说，当你查看一个系统的温度值时，你所查看的图标所标示出的是处于某一能量状态的粒子有可能被观察到的概率。正常情况下大部分粒子的能量值都会处于或接近整体的平均位置附近，只有很小一部分粒子是例外。理论上来说，如果这一情形倒转，更多的粒子获得更高的能量而不是降低其能量，那么整个你所观察的温度计读数就必须跟着整个颠倒过来，而你所读出的温度值也应该从正数变成负数。<br/><br/>谷地和山巅<br/><br/>施耐德和他的同事们使用一种超冷却的量子态气体实现了低于绝对零度的创举，这些量子气体的主要成分是钾原子。借助激光和磁场，他们得以将单个的原子排布成栅格形状。当温度高于绝对零度时，原子之间相互排斥，从而确保持整个图案结构的稳定性。随后研究小组迅速调整其中的磁场，此时这些原子之间不再相互排斥而是相互吸引。施耐德说：“这突如其来的变故让这些原子不再能保持其原有的最稳定的最低能态，瞬间变成了最高的能态，速度之快甚至这些原子都来不及做出反应。”他说：“这就像是你行走在一座峡谷之中，然而在一瞬间突然发现自己身处山巅。”<br/><br/>当温度为正时，这种瞬间转变是不能维持稳定的，原子图案会坍塌并相互靠拢。但是研究小组对激光也进行相应调整，使之赋予原子更多的能量，从而稳定地保持在原有的位置上。这样的结果是，正如近日发表在《科学》杂志上的文章中所描述的那样，标志着这些气体物质从刚刚高过绝对零度的状态瞬间转变至低于绝对零度数十亿分之一度的水平上。<br/><br/>沃尔夫冈·凯特勒(Wolfgang Ketterle)是卖国麻省理工学院的诺贝尔物理学奖获得者，他曾经演示过在一个磁场中构建一个低于绝对零度情形的演示实验。而对于此次的这项工作，他评价其是“绝妙的实验”——在正温度情况下在实验室中难以获得的高能态在负温度情形下就变得稳定了。他说：“这就像是你站在一座金字塔的顶端，而整座金字塔却翻转过来了”因此这项技术将让科学家们得以对这些奇异的状态开展详细研究。他说：“这或许是一项可以在实验室中合成新物质的技术。”<br/><br/>阿什米·罗赫(Achim Rosch)是德国科隆大学的一位理论物理学家，此番施耐德教授的研究小组所使用的一项技术便是罗赫最早提出来的。他表示，一旦这项技术被投入应用，其所制造出来的物质将会具备一些非常奇特的性质。举例而言，罗赫和他的同事们曾经计算过，一般情况下由原子组成的云会在引力作用下向下沉，然而如果这股云朵之中有一部分具有负温度，那么其中一些原子将会反过来向上运动，很明显地违背引力定律。<br/><br/>这种具有负温度的物质还有另外一个让人浮想联翩的点，那就是它的这些性质和神秘的“暗能量”非常相似，这种神秘的力量推动着宇宙向外加速膨胀，它所施加的外向推力超过了宇宙中的物质原子施加的收缩引力。施耐德指出，在实验中那些气体原子同样试图向内收缩，然而由于负温度物质的阻滞作用而未能达成。施耐德表示：“这真的非常有趣，这种神秘的宇宙性质会在我们实验室中出现。我想这或许便是宇宙学家们长期以来所要搜寻的答案。”(晨风)<br/><br/>《自然》杂志网站原文链接：http://www.nature.com/news/quantum-gas-goes-below-absolute-zero-1.12146

嗯，颠覆性的... 既然能量都有负的，这个应该是早能想到的吧。。。

这不算是正常概念上的温度吧。<br/><br/>简单说，温度应该是物质内部微粒（比如原子、离子或者分子）进行布朗运动的激烈程度。而实验中则是利用磁场对钾原子微粒施加了外部势能。这相当于是使试管内接近绝对零度的气体大幅度膨胀（对于气体来说，对其压缩会使其升温，而使其膨胀会让其降温），让其进一步降温，直至温度低于绝对零度。我奇怪的是，这显然是一种受迫状态，此时测出的温度算是严格意义上的温度吗？<br/><br/>不过这确实有助于解释宇宙的膨胀原理。

温度与负温度<br/><br/>李淼<br/><br/>12月份以来，北京连续出现了最高温度低于零度，最低温度低于零下十度的天气。<br/><br/>这里的温度概念是摄氏温度，是瑞典天文学家安德斯·摄西阿斯（Anders Celsius）在十八世纪制定的。这个温度的标准是，在一个大气压下，水的冰点是摄氏零度，沸点是100度。<br/><br/>美国至今还在用的华氏温度则是德国物理学家华伦海脱（Daniel Gabriel Fahrenheit）在1724年制定的，比摄氏温度还早一些。在一个大气压下，水的冰点是32华氏度，沸点是212华氏度。我们不必死记摄氏度和华氏度之间的换算公式，只需要记得华氏水的冰点和沸点就行了。这样，在摄氏100度的范围内，华氏升高了212-32=180度，所以华氏度的阶梯比摄氏度密了1.8倍，冰点高了32度，所以就有F=32+1.8C。<br/><br/>目前，除了美国，开曼群岛、帕劳共和国、巴哈马也用华氏温度。<br/><br/>摄氏温度和华氏温度都不是科学中通用的温度。开尔文或绝对温度才是科学中通用的温度，这个温度的制定者是开尔文勋爵，制定时间是1848年，制定地点是一篇发表在《哲学杂志》的论文。在这篇论文中，开尔文建议用物理学上能够达到的最低温度为零度，温度阶梯与摄氏温度一样，他通过计算得到，冰点是绝对温度273度。根据今天的计算，冰点是绝对温度是273.15度。<br/><br/>那么，为什么存在绝对零度，或可以达到的最低温度？这在热力学中很容易回答。温度是热平衡态中的概念，即两个任意物体在接触下达到平衡时温度相同。进一步，为了定义温度的绝对值，对于一个具体的物理系统，固定所有力学量（如体积，电荷），每提高这个系统一个单位熵所提高的能量就是温度。通常的统计物理告诉我们，随着能量的提高，熵在增大，或者倒过来说，随着熵的增大，能量也在增大。所以，这样定义的温度总是正的，而最低温度无疑就是零度了。<br/><br/>当一个物理系统处于绝对零度时，一切都静止了，没有运动了，也就是说，这个系统处于能量最低态，热力学已经蕴含了这一点。如前，在零度时，即使提高系统的熵，能量的提高也为零，这说明该系统处于能量的极值。进一步，如果系统的能量没有上限，那么这个极值只能是极小值。当然，我们不能排除例外的情况发生，即这个极值其实是一个鞍点，既不是极大也不是极小。到目前为止，还没有发现这样的系统。<br/><br/>在开尔文之后，麦克斯韦和玻尔兹曼独立发现了麦克斯韦-玻尔兹曼分布，这个分布到今天还适用。该分布说，给定温度，处于热平衡中的物理系统的某个状态的几率随着能量的增加而指数减少，具体的公式是P~exp(-E/(kT))，请原谅我在很多专栏之后再一次用公式，这里的常数k叫做玻尔兹曼常数。<br/><br/>从麦克斯韦-玻尔兹曼分布我们看到，温度确实应该是正的，假如它是负的，那么系统处于更高的能量状态的几率会越来越大，对于一个没有能量上限的系统，这个系统真正的能量是无限大，很明显是不可能的。<br/><br/>所以，绝对零度成为物理学中的最低温度，并且是不可到达的温度。为什么？热力学第三定律说：当一个系统处于绝对零度时，其熵趋于常数。这是德国物理学家能斯特在二十世纪初时发现的定律。能斯特还将这个定律表述为：不可能在有限的步骤中达到绝对零度。这第二个表述可以用第一个表述推导出来。<br/><br/>量子力学出现后，人们发现，即使在绝对零度，系统也不可能完全静止，这就是所谓的零点能。一个简单的例子是谐振子（例如微小的弹簧，或者给定频率的光子），它的最低能量不为零。表面上，麦克斯韦-玻尔兹曼分布不能用了，因为P~exp(-E/(kT))变成零。我们需要注意，这个关系是一个正比关系，它告诉我们，当系统处于绝对零度时，提高任何正能量的几率都等于零，这样，系统处于绝对零度时，该系统的完全处于能量最低态。<br/><br/>既然热力学第三定律告诉我们，不可能在有限步骤中达到绝对零度，那么比绝对零度更低的负温度是不是压根就不存在？从麦克斯韦-玻尔兹曼分布我们知道，如果温度是负的，系统的能量分布就是因为P~exp(E/(k|T|))，也就是说，能量越高几率也越大，显然，对于一个能量没有上限系统，负温度是不可能的，因为不稳定。对于一个能量有上限的系统，如果有无限多个态，这个分布告诉我们系统也是不稳定的，因为几率的求和是无限大。只有当一个系统的能量既有上限，状态只有有限多个时，负温度才是可能的。而且，负温度不等于能量低，也就是说，负温度的能量不比绝对零度的能量更低。<br/><br/>在原子核自旋系统中，负温度早就实现了，因为当我们只考虑自旋时，一个有限系统的状态个数就是有限的。同样，在激光中，负温度也被实现了。<br/><br/>一月四号，《科学》刊登了一篇文章，作者是Schneider等人。这篇文章吸引了媒体的眼球，主要是负温度的概念。前面说过，负温度并不新鲜，真正新鲜的是，这些作者们用超冷原子实现了普通运动自由度（而不是自旋或光子的频率）的负温度，这个系统的能量来自于冷原子的运动。在这个系统中，冷原子是所谓的玻色子，即自旋为整数的粒子。冷原子之间的力是吸引力，利用激光，冷原子之间不会无限制地吸引。实验者发现，原子的动量分布趋向于更大的能量，这是负温度的特征。<br/><br/>用英国《物理世界》的一篇博文的话来说，他们突破了绝对零度吗？没有，他们做了一个精巧的实验。