科學家發現熱動力學在原子規模上也會變得非常怪異

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冰塊融化來冷卻熱咖啡,這是全世界熟悉的方法,銘記在熱動力學定律裡,所有的東西不去動它的話傾向於達到相同的溫度,稱為熱平衡(thermodynamic equilibrium)。

但是當我們考慮到個別原子時,事情不是這麼直截了當地。加州大學洛杉磯分校研究人員研究緩衝氣體冷卻(buffer gas cooling)過程,一項技術藉由將它們浸沒在冰冷的原子雲來冷卻離子,在傳統狀況裡,冰冷的原子應該會從離子偷一些能量,然後你應該會得到較冷的離子。

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然而,事情並非永遠都是這樣的。發表於自然通訊期刊(Nature Communications)的一篇論文,研究小組發現這些離子的最後溫度是取決於最初溫度,但也取決於離子的數量。

共同作者Eric Hudson教授在一份聲明中說:「這個來自熟悉的熱動力學定律的明顯背離,是類似於我們的熱蘋果派,不是一如期待的冷卻,就是自發性地爆發出火焰,端賴它被放在窗戶時的確切溫度。」

在這項特別研究,藉由浸泡在一個3百萬顆雷射冷卻的鈣原子雲,研究小組試著冷卻多達10顆鋇離子(barium ion)。一旦這個鈣雲被移開,這些離子應該已經冷卻下來,但有時候並沒有。

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這項技術在許多方面是一個微型化的冰箱,有一個冷卻劑(冰冷的原子)把熱從物體中取走。不幸的是,在那樣的規模,有非平衡的活動在運行。緩衝氣體冷卻一定是比之前的想法更微妙,整個系統的複雜性需要被考慮。

在Hudson實驗室工作的首席作者Steven Schowalter補充:「我們的研究結果證明,你不能只是丟任何緩衝氣體到裝置裡,不管它有多冷,而是要期待它運作得像是一個有效的冷卻劑。」

這項發現很明顯地沒有違反熱動力學定律。但當我們移到微觀世界裡,它顯示出即使是完美成熟的技術,也會變得有點稀奇古怪。當緩衝氣體冷卻被用到許多不同的應用,從法醫檢驗到反物質產生,了解全貌是很重要的。

來源:IFLScience