华氏-459:实验室中的中子星和弦理论

北卡罗来纳州达勒姆— Using lasers to contain some ultra-chilled atoms, a team of scientists has measured the viscosity or stickiness of a gas often considered to be 物质的第六状态. The measurements verify that this gas can be used as a “scale model”诸如超高温超导体,中子星的核物质之类的奇异物质,甚至在大爆炸之后的微秒内产生的物质状态。

该结果还可以用于将来弦理论的实验测试。

杜克大学的物理学家约翰·托马斯(John Thomas)使用超冷的费米气体中的锂6原子费米气体进行了粘度测量,该气体捕获在由激光制成的毫米大小的碗中。当冷却并放置在正确大小的磁场中时,原子相互作用的强度就如量子力学定律所允许的那样。这种强烈相互作用的气体表现出“卓越的性能,”例如几乎没有摩擦的流体流动。

团队’的报告刊登在12月10日的 科学 .

在超冷条件下,气体的性质由万用尺或自然长度标尺确定,非常类似于建筑师的标尺’的绘图。原子气体的标尺是原子之间的平均间距。根据量子物理学,该间距决定了所有其他自然尺度,例如能量,温度和粘度的尺度,从而使超冷气体成为其他奇特物质的尺度模型。托马斯说,他和其他人已经验证了该气体是一种通用标度模型,例如温度,但是这是他们第一次’ve测试了粘度的标度,这恰好是科学家目前特别感兴趣的。

托马斯首先测量气体的粘度为开尔文度的十分之几,即
-459华氏度。关闭限制气体的阱,然后重新捕获它,使费米气体的半径振动。这种振荡称为呼吸模式,类似于一块果冻的摆动。振动持续的时间越长,粘度越低。相反,研究人员在稍高一点的温度(开尔文的百万分之一度)下观察到,气体从陷阱中释放后,从雪茄形状变成薄煎饼的速度有多快。较慢的形状变化具有较高的粘度。

这些结果是“对于凝聚态物理领域,特别是对高温超导性,极为重要,”芝加哥大学的理论家凯西·莱文说,他没有参与这项研究。她说费米气体的粘度类似于没有阻力流动的超流体的电导率。这个“perfect fluidity”在冷凝物世界中也观察到这种现象,特别是在用于制造高温超导体的材料中。新数据,尤其是在较低温度下,“看起来很一致”莱文说,它预测了超导体应该如何流动。

费米气体作为比例模型对于研究科学家可以研究的宇宙元素也很重要’杜克大学物理学家伯恩特·穆勒(Berndt Mueller)说,在实验室里进行探测。即使是非常小的中子星,也没有一颗死星’变成一个黑洞,将在地球上重达数十亿吨,而且密度太高而无法研究。然而,显示费米气体通用特性的数据让物理学家计算出了从锂6原子间距到这些恒星中子之间间距的标度。然后,可以将对费米气体的测量结果用于确定这些恒星的自然能和其他性质,并将其与理论家进行比较’预测。对于夸克-胶子等离子体,可以进行类似的计算,物质状态在大爆炸后仅几微秒内产生,并在粒子加速器中进行了研究,例如日内瓦的大型强子对撞机。

托马斯说,新的结果也使人们对使用弦论进行的预测有了实验性的了解,弦论是将经典引力世界与量子物理学结合在一起的数学构造。弦理论家提供了在强相互作用系统中粘度或流体流量与熵或无序比的下限。新的实验测量了费米气体的两种性质,结果表明气体的最小值是弦理论家的四到五倍’ lower bound.

“测量值不会直接测试弦论,”托马斯说,注意到一些警告–下限是针对高能系统得出的,其中爱因斯坦’相对论是必不可少的,而费米气体实验则是研究低能气体。如果弦理论家专门为费米气体创建新的计算,那么科学家将能够使用不超过台式机的设备对理论进行精确的实验测试。



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2个想法“华氏-459:实验室中的中子星和弦理论”

  1. 尽管本文没有特别说明,但过冷的气体似乎是玻色-爱因斯坦冷凝物(即“物质的第六状态”)。是正确的说法还是说它非常接近BEC?振动或“jiggling”产生电磁波,如果有的话,其特性是什么?容纳场的大小或该场中6个锂原子的数量是否会对这种效应有所影响?

    • 不,这不是玻色-爱因斯坦冷凝物。玻色-爱因斯坦统计数据描述了玻色子,即具有整数自旋的粒子。 (0,+ /-1,+ /-2等),而是费米气体,由费米子组成(具有半整数自旋的粒子,+ /-1/2,+ / 1 3/2等) ),使用费米-狄拉克统计资料进行描述。虽然相似,但有一些主要区别–费米子受保利排斥原理的约束,不能全都处于同一量子态,而玻色子却可以。至于产生电磁波,粒子会’t be doing so –它们已经处于极冷的温度,因此能量很少。场的大小和原子数均应影响粘度–改变其中任何一种都会改变样品的数密度(单位体积中的原子数),这在费米-狄拉克(Fermi-Dirac)和玻色-爱因斯坦(Bose-Einstein)统计中均起着关键作用。

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