科学家们在实验室创造宇宙中最冷的物质

By Robert Lea

2022/9/10

Science & Astronomy

物质冷却到比星际空间更冷30亿倍

一幅插图显示被捕获的镱原子被冷却到比深空更冷约30亿度。(Image credit: Ella Maru Studio/Courtesy of K. Hazzard/Rice University)

一组研究人员已经将物质冷却到绝对零度的十亿分之一以内，甚至比远离任何恒星的太空最深处更冷。

星际空间永远得不到这个冷，由于它被均匀的充满有宇宙微波背景（CMB）的事实，一种从一个大爆炸后不久发生的事件留下的辐射的形式，当时宇宙处在于它的婴儿中。冷冻了的物质甚至比已知距离地球3000光年远最冷的太空区域回旋镖星云更冷，它有一个刚好绝对零度之上1度的温度。

该实验在日本京都大学进行使用的是费米子，粒子物理学家称之为构成物质的任何粒子，包括电子、质子和中子。研究小组将他们的费米子------镱元素的原子------冷却到约绝对零度以上十亿分之一度，这是假设的所有原子运动会停止的温度。

参与该研究的莱斯大学研究员卡登·哈扎德在一份声明中说，“除非一个外星文明就在现在正在做这样一样的实验，这个实验正在京都大学运行的任何时候它正在制造宇宙中最冷的费米子”。

该研究小组用了激光通过限制在一个光学晶格内30万个原子的运动来冷却物质。这个实验模拟一个由理论物理学家约翰·哈伯德在1963年首次提出的量子物理学模型。所谓的哈伯德模型允许原子来展示不寻常的量子属性，包括电子之间的集体行为如超导（没有能量损失传导电力的能力）。

哈扎德说，“获得这个冷的报酬是物理学真的变化，物理学开始变得更量子力学的，它让你看新的现象”。

保持太空温暖的“化石”辐射

因为宇宙微波背景辐射的存在，星际空间能永远不会获得这个冷。这种均匀分布和均匀的辐射被大爆炸后不久宇宙的最初快速膨胀期间的一个事件造成，所谓的最后的散射。

在最后的散射中，电子开始与质子结合，形成现有最轻的元素氢的第一个原子。因为这个原子的形成，宇宙迅速丧失它的松散电子。因为电子散射光子，宇宙在最后的散射之前对光一直是不透明的。在这些第一批氢原子中电子与质子绑了起来，光子可以突然的自由的旅行，使这个宇宙对光透明。最后的散射也标志着像质子和光子这样的费米子有过相同的温度的最后时刻。

因为最后的散射的结果，光子以一个2.73开尔文的特定温度充满了宇宙，这等于负454.76华氏度（零下270.42摄氏度），这刚好比绝对零度------0开尔文或负459.67华氏度（零下273.15摄氏度）高出2.73度。

回旋镖星云是宇宙中最冷的地方。(Image credit: ESA/NASA)

 在已知的宇宙中有一个回旋镖星云区域，一种在半人马座中围绕一个垂死恒星的气体云，它比宇宙的剩下部分甚至更冷------大约1开尔文或负457.6F（负272C）。天文学家相信回旋镖星云正在被星云中心的垂死的恒星吐出的膨胀气体冷却。但在最新的实验中甚至回旋镖星云不能与镱原子的温度竞争。

这个实验背后的团队目前正工作在开发第一个能够测量发生在绝对零度以上十亿分之一度的行为的工具。

哈扎德总结道，“这些系统是相当异域的和特殊的，但希望是通过研究和理解它们，我们能识别需要在那里在真实物质中的关键成分”。

该团队的研究成果于9月1日发表在《自然物理》杂志上。