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物理学家创造出“负质量”:你推它,它反而扑向你

中科院物理所  · 公众号  · 物理  · 2017-04-23 10:13

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)。在玻色爱因斯坦凝聚态下,不会再有单独的原子存在,这10000个铷原子会融合在一起,成为一片混沌。


这块BEC被困在一个雪茄状的一维势阱中,福布斯用另外两束激光使铷原子产生自旋轨道耦合(spin-orbital coupling SOC),SOC BEC的能量色散曲线不再是通常的抛物线,而是在临近底部的地方有一个小突起,这个区域的曲率为负,对应着负的等效质量,扩散到这个区域的BEC就相应地有负质量了。


起初BEC被困在靠左边的最低能量上,福布斯撤掉了束缚后,这块BEC开始扩散,左边正常扩散,而右边的扩散进入了负质量区域(图a的灰色带),影响信号也显示,BEC的扩散明显受到了阻碍,像是被什么东西挡住了。



想像地上的一桶沙子,把桶壁撤走时沙子由于重力的因素会向四周扩散,当沙子在某一个方向上扩散到负质量区域时,它们不再向外扩散而是向内收敛,因为重力的作用在这个区域从吸引变成了排斥,此时的沙堆像被一堵墙堵住了一样。那10000个铷原子形成的BEC就像这堆扩散的沙子,在负重力的区域开始掉头向回走。


铷原子始终是原来的铷原子,货真价实,质量为正, 所谓的负质量只不过是用精密仪器创造出的一个假象 。其实, 这个实验所创造的负质量是一种 量子现象 ,很多量子现象是原子尺度的,对它们的观测非常困难,这个实验可以用照相机做宏观上的观察,还要得益于一种物理现象:玻色爱因斯坦凝聚。


玻色爱因斯坦凝聚


物理学家是一群酒鬼,他们经常去一家叫LASER的酒吧,并且总喜欢点一杯玻色-爱因斯坦凝聚。


玻色爱因斯坦凝聚是物质的一种特殊凝聚态,它是由全同玻色子在极低的温度下形成的。


世界上的所有原子都可以分为两类,费米子和玻色子。费米子遵循“费米-狄拉克统计”(Fermi-Dirac statistics)。这意味着全部费米子都要符合泡利不相容原理(Pauli’s exclusion principle),多个费米子无法处于同一个量子态。








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