絕對零度是一個「理論值」,而非一個實際已經觀測到或達到的溫度,也就是說,它是一個科學家根據實驗所間接「推論」出來的數值;而到目前為止,以人類的科學技術,還達不到這樣的低溫。
物質的分子無時無刻不在劇烈地運動,也正是因為分子運動的結果,而使得溫度上升,因此被稱之為「熱運動」;相對地,如果把溫度不斷地降低,就會使得分子的熱運動愈來愈慢、愈來愈慢;那究竟要到什麼時候,物質分子才會完全靜止不動呢?
絕對零度(也就是大約攝-273.15℃)正是科學家們推導出來的答案;它代表著在此溫度之下,物質分子不再具有任何能量來進行熱運動,也就是一切的分子都會停止活動。但後來的科學家發現,即使在絕對零度的低溫下,分子運動卻可能不會完全靜止,不過,這已是量子力學的艱深範疇了!
冷凍後的原子溫度到底是多少度,方法之一是先把雷射關掉。在朱棣文最初的實驗裡,原子冷凍後會在這個狀態下維持約0.1毫秒(1ms =10-3 s),隨後原子就在無動力的情況下離開觀測區繼續飛行。測量這個只受重力下飛行一段固定距離所需的時間,可以大約估計原子的溫度。朱棣文量得的溫度大約是 240μK,這大約等於鈉原子速度為 30 cm/s的溫度,跟理論上計算的都卜勒極限差不多,用都卜勒冷凍最低就只能達到這個溫度了。
其他量測溫度的方法還有很多,例如,讓原子在重力場中落下,然後利用雷射測量它下落的曲線。 1988 年菲利普斯發現,如果把雷射頻率調得比都卜勒冷凍極限理論所預測的最佳頻率還低時,原子的溫度竟然可以達到 40μK。比理論預測的都卜勒極限還低了六倍! 為了確定實驗的正確性,菲利普斯自己就用了四種方法測量。當初有人懷疑是不是因為他用的雷射太強,以致於都卜勒冷凍的理論不適用了?不久朱棣文與柯恩唐努吉也做了更仔細的測量,確認了他的發現無誤:與雷射強度無關。原來朱棣文當初測量溫度所用的方法並不太準,測量的結果會受體積及原子在其內的分布影響。馬上達利巴德、柯恩唐努吉還有朱棣文就找出了理論解釋
現在我們知道,是因為得到這個極限所用的模型太過簡單了:原來的理論只假設了簡單的兩個能階,但是真正的鈉原子基態能階卻還分很多的日曼次能階(Zeeman sub-level),這些次能階在沒有外場時是分不出來的。雷射光會使原子在這些次能階間轉換,至於哪個能階有多少原子,就要看雷射光的偏極化方向,不同偏極化的光會造成不同的分布。事實上原子能階高低受雷射光偏極化方向的影響,也會改變,而且對各個日曼次能階的改變量又不同。在光糖漿裡,雷射光的偏極化方向不斷的在變化,因此無論是每個能階的位置或者在該能階的原子數目,都隨著雷射的偏極化方向一直在改變。另外還有一種稱為偏極梯度冷凍效應 (polarization gradient colling effect) 的機制,在這個偏極化方向不斷改變的環境中,也是導致如此低溫的重要原因。這對靜止的原子沒有影響,因為各方面的改變平均說起來是零,但是運動中的原子由於對稱性受到破壞就會受力。菲利普斯發現低溫就是其中一個稱為「薛西佛斯冷卻」(Sisphus cooling) 機制的特例。(如下圖)
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薛西佛斯冷卻:
這種冷卻機制所以稱為薛西佛斯冷卻,是因為這有點像希臘神話中狡猾的國王薛西佛斯被罰在地獄裡不斷把石頭推到山頂再滾下來一樣。在這裡原子跑到位能勢的頂端後,又被雷射光推下來。原子損失動能就好像石頭被推上山。 |
中央研究院物理所的低溫物理實驗室由陳洋元博士於1989年建立,至今已有十四年的歷史。
由於很多的物理現象常被晶格振動能量(亦即聲能)所掩蓋,故唯有降低溫度方能 從事多樣尖端之研究,這也是諾貝爾物理獎有很多由低溫物理研究人員得到的緣故。
本實驗室之低溫實驗儀器設備多由國內自行研發完成,因此較易於從事自行設 計之尖端研究上。本實驗室目前所能達到之最低溫在50mK左右,可說是大部分時間都保持在全國最低溫的一個地方。