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科学家制成量子液体,密度只有水的一亿分之一
王强 2017-12-19
导语

不过现在,西班牙光子科学研究所(ICFO)的科学家制成了一种特殊的液体,比空气的密度还低100万倍,只有水密度的一亿分之一。

编者按:本文来自微信公众号"徐德文"(ID:xudewen028),e科网经授权发布。

液体和气体是物质的两个不同阶段。气体很稀薄,可以被压缩,没有固定形状,能迅速充满整个容器;而液体是致密的,有些可以被压缩,有些不易被压缩,具有固定的体积,不能布满整个容器。气体物质的原子或分子之间可以自由运动,而液体物质是由分子间相互作用力结合在一起的微小振动粒子(如原子或分子)组成。由于这些性质,在通常情况下,气体的密度远远小于液体的密度,不过现在,西班牙光子科学研究所(ICFO)的科学家制成了一种特殊的液体,比空气的密度还低100万倍,只有水密度的一亿分之一。

这种液体是如何制成的呢?你应该想到肯定是和温度有关。是的,研究人员将钾原子气冷却到-273.15摄氏度,非常接近绝对零度的温度。这时候钾原子气就进 入了玻色-爱因斯坦凝聚态,钾原子的行为就像波一样,遵循量子力学的原则,不过它们还是保留着气体的固有属性,可以自由地扩散膨胀。但当科学家们将两组这 样的气体混合在一起时,奇迹发生了,它们粘合在一起形成了钾原子液滴。这些液滴和水相似,有自己的大小和形状,但密度只有水的一亿分之一!

但与通过分子间相互作用形成的液体不同,钾原子液滴是通过量子涨落维持其液态性质的。根据海森堡的不确定性原理,形成液滴的原子会在它们可能的位置和能级上 蹦来蹦去,向其邻居施加压力,因而会导致量子压力。总和所有粒子的这种压力,科学家们发现它们相互吸引的次数比互相排斥的还多,这种吸引力就将它们结合在 一起形成了液滴。

这些量子液滴是已知宇宙中最稀的液体,所以你也别指望它们能产生什么现实的应用。但如果你想用这些量子液体建一个游泳池去游泳的话,我的意见是你别担心能不 能浮起来的问题,你应该担心的是,你怎样在绝对零度附近能够避免进入玻色-爱因斯坦凝聚态——对生命来说,这玩意儿比地狱还恐怖10的N次方倍。

这项研究12月14日发表在《科学》杂志上。

文章链接:

C. R. Cabrera, et al, "Quantum liquid droplets in a mixture of Bose-Einstein condensates," Science 14 Dec 2017:eaao5686, DOI: 10.1126/science.aao5686

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作者 王强

硕士研究生

西北工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科
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