美首次测出物质第六态的黏性

2010-12-14 10:32 来源: 中国科学院
870 收藏到BLOG

  据美国物理学家组织网近日报道,美国科学家使用激光控制住一些超冷冻原子,测出了费米气体(一般被认为是物质的第六种状态)的黏性。结果表明,费米气体可以被用做“标度模型”,测量超高温超导体中子星内的核物质,甚至大爆炸几微秒后的夸克—胶子等离子体等物质的属性,也有望被用来在实验室测试弦理论。研究报告发表在12月10日出版的《科学》杂志上。

  美国杜克大学物理学家约翰·托马斯团队测量了锂—6原子超冷的费米气体的黏性。他们将锂—6原子捕获在一个几毫米大小、由激光制成的盆内,当被冷却并置身于尺寸合适的磁场内时,这些原子之间会产生强烈的相互作用。托马斯表示,相互作用非常强烈的费米气体展示出“令人惊奇的属性”,诸如几乎能毫无摩擦地像液体一样流动等。

  在超冷环境下,费米气体的性质由一个标度——原子之间的平均间距来决定。根据量子物理学法则,这种间距会决定所有其他的天然标度,诸如能量、温度和黏性标度等,这就使这种超冷的费米气体能成为测量其他物质的“标度模型”。托马斯之前就已经证明,这种气体能用做标度测量温度的属性,但这是科学家首次用其测试黏性。

  托马斯首先在零下459华氏度(约为零下273摄氏度)测量了这种气体的黏性。关掉限制气体的收集器,并接着重新将其捕捉使这种费米气体的半径开始摆动。摆动持续时间越长,黏性就越低。将温度升高一点后,托马斯开始观察当其被从捕捉器中释放出来之后,费米气体从雪茄状变为薄饼状的速度有多快。结果显示,形状改变越慢,黏性就越高。

  美国芝加哥大学理论学家凯西·莱文表示,这一研究结果“对凝聚态物理和高温超导性等领域都有重要的意义”。她说,科学家也在凝聚态物质世界中,尤其是被用来制造高温超导体的物质中观察到了这种“完美的流动性”。新数据,尤其是在更低温度下的数据“似乎同科学家之前对高温超导体应该如何流动的预测完全一致”。

  杜克大学的科学家伯恩特·密勒认为,费米气体也可以作为一种“标度模型”来研究目前科学家无法在实验室中探测到的宇宙的组成部分。科学家可以使用锂 —6原子间距作为标尺,计算中子星上的中子之间的间距,也可以使用对费米气体所做的测量来确定中子星上所蕴含的能源和其他属性。另外,还可对宇宙“大爆炸”之后约几微秒(为百万分之一秒)出现的夸克—胶子等离子体进行测算。

  托马斯表示,新的研究结果也可以让科学家通过实验更加透彻地理解弦理论(目前最有希望将经典力学同量子力学统一起来的数学模型)所做的一些预测。如果弦理论学家能专门为费米气体创造出新的运算,他们将能够使用可能比一个桌面大不了多少的实验设备,对弦理论进行精确测试。