物理學(xué)家創(chuàng )造出“負質(zhì)量”：你推它，它反而撲向你

推動(dòng)這種物質(zhì)時(shí)，它不會(huì )沿著(zhù)力的方向加速，反而會(huì )迎著(zhù)推力加速。

近日，美國華盛頓州立大學(xué) (WSU) 的物理學(xué)家創(chuàng )造出了具有負質(zhì)量的超液體。當然，這并不意味著(zhù)用秤稱(chēng)量這種物質(zhì)時(shí)讀數會(huì )顯示負數，而是一種力學(xué)上的體現：推動(dòng)這種物質(zhì)時(shí)，它不會(huì )沿著(zhù)力的方向加速，反而會(huì )迎著(zhù)推力加速。

這項研究發(fā)表于近期的《物理評論快報》上。領(lǐng)導這個(gè)實(shí)驗的邁克爾·福布斯（Michael Forbs）是WSU物理與天文系的一位助理教授，他說(shuō)：“這種現象很難在實(shí)驗室產(chǎn)生，但它有著(zhù)重大的意義，可以用來(lái)加深我們對宇宙的理解。”

福布斯教授表示，牛頓第二定律（F=ma）告訴我們，作用于物體上的力等于這個(gè)物體的質(zhì)量與其加速度的乘積。通俗點(diǎn)說(shuō)就是，如果我們去推一個(gè)正質(zhì)量物體，它會(huì )被我們推著(zhù)往前走?？蓪τ谝粋€(gè)具有負質(zhì)量的物體來(lái)說(shuō)，其加速度與受到的力反向，去推一個(gè)負質(zhì)量物體時(shí)，我們會(huì )被它推著(zhù)往回走。

我們可以開(kāi)一下腦洞，負質(zhì)量在生活中會(huì )有什么有趣的現象？

大街上跑的負質(zhì)量汽車(chē)個(gè)個(gè)都掛著(zhù)倒檔向前飛馳；超市的顧客被負質(zhì)量手推車(chē)拉著(zhù)向前走；發(fā)射火箭也不再發(fā)愁燃料了，固定架打開(kāi)的瞬間，負質(zhì)量火箭就如轟炸機投下的一枚炸彈一樣“墜入”深空。當然這些想象荒謬而遙遠，這次發(fā)現的負質(zhì)量還遠遠做不到這種程度。

物理學(xué)家的魔術(shù)表演

實(shí)際上這次的發(fā)現并不是一種新的物質(zhì)，而是物理學(xué)家用一堆銣原子（它們具有正質(zhì)量）來(lái)進(jìn)行的一次魔術(shù)表演，嚴格地說(shuō)，它甚至并不能被稱(chēng)作負質(zhì)量物體，而是一種負質(zhì)量現象或者負質(zhì)量效應：在某一個(gè)特定狀態(tài)下，在某一個(gè)特定的時(shí)空區域，突然間牛頓第二定律前面就需要加個(gè)負號了，就是這樣。

實(shí)驗過(guò)程是這樣的。福布斯教授和他的團隊用激光把10000個(gè)銣原子（87Rb）束縛在一個(gè)很小的區域里，然后再用另一束激光把它們冷卻到接近絕對零度。此時(shí)這團銣原子進(jìn)入了全新的狀態(tài)：玻色-愛(ài)因斯坦凝聚（BEC）。在玻色愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)下，不會(huì )再有單獨的原子存在，這10000個(gè)銣原子會(huì )融合在一起，成為一片混沌。

這塊BEC被困在一個(gè)雪茄狀的一維勢阱中，福布斯用另外兩束激光使銣原子產(chǎn)生自旋軌道耦合（spin-orbital coupling SOC），SOC BEC的能量色散曲線(xiàn)不再是通常的拋物線(xiàn)，而是在臨近底部的地方有一個(gè)小突起，這個(gè)區域的曲率為負，對應著(zhù)負的等效質(zhì)量，擴散到這個(gè)區域的BEC就相應地有負質(zhì)量了。

起初BEC被困在靠左邊的最低能量上，福布斯撤掉了束縛后，這塊BEC開(kāi)始擴散，左邊正常擴散，而右邊的擴散進(jìn)入了負質(zhì)量區域（圖a的灰色帶），影響信號也顯示，BEC的擴散明顯受到了阻礙，像是被什么東西擋住了。

想像地上的一桶沙子，把桶壁撤走時(shí)沙子由于重力的因素會(huì )向四周擴散，當沙子在某一個(gè)方向上擴散到負質(zhì)量區域時(shí)，它們不再向外擴散而是向內收斂，因為重力的作用在這個(gè)區域從吸引變成了排斥，此時(shí)的沙堆像被一堵墻堵住了一樣。那10000個(gè)銣原子形成的BEC就像這堆擴散的沙子，在負重力的區域開(kāi)始掉頭向回走。

銣原子始終是原來(lái)的銣原子，貨真價(jià)實(shí)，質(zhì)量為正，所謂的負質(zhì)量只不過(guò)是用精密儀器創(chuàng )造出的一個(gè)假象。其實(shí)，這個(gè)實(shí)驗所創(chuàng )造的負質(zhì)量是一種量子現象，很多量子現象是原子尺度的，對它們的觀(guān)測非常困難，這個(gè)實(shí)驗可以用照相機做宏觀(guān)上的觀(guān)察，還要得益于一種物理現象：玻色愛(ài)因斯坦凝聚。

玻色愛(ài)因斯坦凝聚

物理學(xué)家是一群酒鬼，他們經(jīng)常去一家叫LASER的酒吧，并且總喜歡點(diǎn)一杯玻色-愛(ài)因斯坦凝聚。

玻色愛(ài)因斯坦凝聚是物質(zhì)的一種特殊凝聚態(tài)，它是由全同玻色子在極低的溫度下形成的。

世界上的所有原子都可以分為兩類(lèi)，費米子和玻色子。費米子遵循“費米-狄拉克統計”（Fermi-Dirac statistics）。這意味著(zhù)全部費米子都要符合泡利不相容原理（Pauli’s exclusion principle），多個(gè)費米子無(wú)法處于同一個(gè)量子態(tài)。

通俗地說(shuō)，多個(gè)費米子不能同一時(shí)間處于同一位置，還擁有相同的能量，這使得電子等物體難以穿過(guò)物體。相比之下，玻色子遵循“玻色-愛(ài)因斯坦統計”，即多個(gè)玻色子可以處于同一個(gè)位置，這使得像光子這樣的粒子不會(huì )占據空間。

在被量子力學(xué)統治的微觀(guān)世界，一個(gè)原子所具有的能量是離散的，它只能取各個(gè)能級的數值。

打個(gè)不恰當的比方，我們把原子能級比作一座100層的酒店大樓，每一層是一個(gè)能級，1樓是能量最低的基態(tài)，越往高能量越大。原子子便是入住的旅客，現在有一個(gè)20人的土壕旅行團要入住酒店，他們旅途勞頓，都想住最低層，但是土壕們又不愿意和別人住一個(gè)樓層，最后從第一層到第20層每層只住了一個(gè)客人。后來(lái)又來(lái)了一個(gè)20人的屌絲旅行團，這些人不介意與別人分享同一層，最后這20個(gè)人都住到了第一層。土壕客人就是費米子，屌絲客人就是玻色子。

1924年，30歲的印度物理老師玻色發(fā)表了今天稱(chēng)之為“玻色-愛(ài)因斯坦統計”的第一篇論文。次年，愛(ài)因斯坦完善和發(fā)展了這項工作，并大膽地提出了“凝聚”概念：符合“玻色-愛(ài)因斯坦統計”的全同玻色子，其溫度降到臨界溫度以下時(shí)，宏觀(guān)數量的原子將突然凝聚到動(dòng)量為零的單一量子態(tài)上面，就如所有客人都搬到了酒店的一層，從而呈現出一個(gè)整體的量子態(tài)，這種狀態(tài)被后人稱(chēng)為“玻色-愛(ài)因斯坦凝聚”。

然而，這個(gè)百年前提出的理論的實(shí)現卻路途坎坷，經(jīng)歷了許多物理學(xué)家孜孜不倦的努力才得以實(shí)現。

1995年，科羅拉多大學(xué)的康奈爾（Cornell）教授和威曼（ Wieman）教授通過(guò)激光冷卻和蒸發(fā)冷卻技術(shù)相結合的方法，將銣原子溫度降到了170納開(kāi)爾文（nanokelvin），最終實(shí)現了玻色愛(ài)因斯坦凝聚。他們也因為這個(gè)成果分享了2001年的諾貝爾物理學(xué)獎。

玻色愛(ài)因斯坦凝聚有很多非常有趣的特性。比如它可以有異常高的光學(xué)密度差，光速在凝聚內的速度可以驟降到數米每秒。自轉的凝聚可以作為黑洞的模型，入射的光會(huì )被“凍結”而難以逃離。此外，它還有很強的操控性，科學(xué)家可以通過(guò)改變激光強度和共振頻率來(lái)改變原子的狀態(tài)，進(jìn)而獲得所需的凝聚態(tài)性質(zhì)。

更重要的是，它提供了一個(gè)從宏觀(guān)角度研究微觀(guān)量子現象的工具。很多量子效應只能在原子尺度上實(shí)現，我們缺乏合適的觀(guān)測方法，而處于玻色愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)下的原子有著(zhù)統一的行為，原子尺度上的量子現象就可以被成千上萬(wàn)倍地放大，進(jìn)而利用更方便的探測方式去研究其中的規律。這次的負質(zhì)量實(shí)驗本質(zhì)上就是利用玻色愛(ài)因斯坦凝聚放大效應研究了一個(gè)微觀(guān)量子現象。

在未來(lái)的探索中，玻色愛(ài)因斯坦凝聚還會(huì )展示出更多有趣的量子效應，也會(huì )幫助我們研究更加極端的環(huán)境。

福布斯表示：“我們對這個(gè)實(shí)驗條件有著(zhù)精美絕倫的控制，這個(gè)控制給了研究人員研究宇宙中神奇現象的新工具，他們可以用其模擬宇宙的極端環(huán)境，比如中子星，黑洞，暗能量。”

最后，記得關(guān)注微信公眾號：鎂客網(wǎng)（im2maker），更多干貨在等你！