当前位置:网站首页资讯动态量子技术造就地球上最奇异的物质——不受重力影响,能抓住光
量子技术造就地球上最奇异的物质——不受重力影响,能抓住光

你能想象有这样一种物质吗?想象一下,桌上有一个液体形成的圈,当你搅拌这个圈,它会即刻旋转起来,不停地旋转、永恒地旋转,就如同电流自由地在超导体中流动那般。你会想,这怎么可能呢?你错了,这种物质真的存在,它就是

超流体。超流体没有黏度,也没有摩擦力。超流体没有内在的黏性,没有什么会阻止超流体的移动。当我们在一个杯子中装入超流液氦,这种奇异的物质会自然地爬上杯壁,漫过杯沿以液滴的形式流出杯子。

超流体是逃生专家。超流体缺乏黏性,这意味着随时间的推移,分子的自然运动足以使超流体找到出路,哪怕它们面对的是最细小的狭缝。事实上,尽管是液体,它们的行为却与气体相似。更戏剧性的是,装在开口容器中的超流体会自然地在容器内表面向上攀升,在容器内表面形成一层薄膜进而包裹住容器的开口,并沿着容器的外壁向下包裹。这意味着,随着时间的推移,它会全部流出杯子,地球的重力居然对它不起作用,这显然与地心引力说相违背。

超流体现象的出现,与超导现象的出现非常相似。在超导体中,电子会结成对并在整个材料中产生出交叠的波函数。在超流体中,较大的玻色子会与波函数联系起来,形成一种被称作玻色一爱因斯坦凝聚态的物质(即

玻色一爱因斯坦凝聚体)。

长久以来,超流体似乎一直是个奇怪的东西,它似乎只是为了实验展示而存在。但最近,它们已被用在了专业的陀螺仪中,用来精确测量重力的变化。它还能作为“量子溶剂”,促使其他物质自然聚集,这在光谱学中具有重要意义。光谱学利用物质与光的相互作用以了解材料的组成成分,光谱学分析过程通常在气相中进行。“量子溶剂”的特殊物理性质意味着,溶解在“量子溶剂”中的粒子具有气态行为,所以那些难以在气相中进行研究的材料也可以进行光谱分析了。

超流体表现出仿似气体的行为,使它可被用于超级冰箱的制作。冰箱的运行依靠一种物理学效应——液体被迫通过一个狭窄的隙缝会实现自然冷却,液体通过隙缝后会迅速蒸发,这一过程可将能量从液体中带走并降低液体的温度。在这样的过程中,超流体的效果尤为明显,因而得到了大量使用。例如在1983年发射的红外空间望远镜(红外天文卫星)中,人们在一个类似冰箱的系统中部署了超低温氦,以保持该系统能被冷却到极致,同时还避免了在制冷过程中产生振动。超流体还有一项非常特殊的用途,这种物质能捕捉到一些难以捉摸的自然现象——一些超流体可以捕捉光。

假如,存在一种特别的窗户,光穿透这扇窗户需要花费1年的时间。如果我们将这扇窗户置于任何一处实景之后,那么你将在12个月后才能看到这幅实景。进入你视野的实景并非电视画面,而是真正的实景,即那些耗时12个月才穿过窗户的光。这并不是科学幻想,这种特殊的玻璃被称为“缓速玻璃”,它来源于一种特殊的超流体,这种超流体的形成利用了玻色-爱因斯坦凝聚态,它能对光速产生影响。

我们习惯于将光速看作一个普适常数。我们被告知,没有什么能比真空中的光速(每秒30万千米)更快。但光通过诸如空气、水或玻璃这样的介质时,它的速度会降低。以玻璃为例,光在其中的传播速度是真空中的三分之二。但即使是真空中光速的三分之二依然非常快。通过计算,我们需要制作一块5×10^15米厚的玻璃才能实现。超流体在这方面则突出了自己的优势。20世纪90年代末,哈佛大学罗兰科学研究所的丹麦科学家琳恩·韦斯特高·豪( Lene Verstergaad Hau)使用玻色一爱因斯坦凝聚体,将光速降低到了每秒1米,这相当于人类步行的速度。

虽然豪的凝聚体并非真正的缓速玻璃,但它仍是一个了不起的成就。事实上,缓速玻璃存在一个问题——从不同方向进入玻璃的光通过玻璃的时间各不相同。这也是我们现实生活中光通过任何玻璃时都会发生的情况。只是在一般情况下,这个时间差可以小到忽略。缓速玻璃的情况则有点特别:试想有张1厘米厚的玻璃,光从玻璃的正面穿透需要耗费1年的时间,光从玻璃的对角线穿透需耗费1.4年的时间。如此,你在玻璃的内侧看到的图像将会是一堆毫无意义的杂乱光子。鉴于此,欲将缓速玻璃变为现实,就需要引入某种类型的全息技术,使位于玻璃外侧的整个图像能作为一个单一的单位整体通过缓速玻璃。

如果你需要的只是光而并非图像,这个问题将不复存在。例如,我们假想将一片“时间深度”约为12小时的缓速玻璃板悬挂在一条街道距离地面几米高的地方。白天,从不同方向射向玻璃板的光线会渐序透过玻璃。夜晚,光从玻璃中流泻而出,照亮了它的下方。它是典型的自然光照明,而非人工照明—自然光在穿透这片玻璃时发生了时间延迟。这将是完美的人造光,无需任何电力就能持续发出光亮。

事实上,这个构想仍然停留在科幻阶段。豪的玻色爱因斯坦凝聚体需要花费巨大的资金以将温度控制到绝对零度的附近,且还必须有激光的配合。这比今天我们所见的任何路灯产生的费用更昂贵。如果将来,人们能生产出这类物质的室温材料,缓速玻璃将会为我们带来巨大的变革,它的潜力将得到广泛应用。

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