凍結原子的「惡魔」

文/雷增(Mark G. Raizen)  翻譯/甘錫安    提供/科學人

當你在閱讀這篇文章時,空氣分子正以3000公里的時速從你身旁穿梭而過,不僅速度比子彈快,而且從四面八方襲來。在此同時,構成你身體的原子和分子也正不停翻滾、振動或互相碰撞。自然界中沒有任何東西是完全靜止的,物體的行進速度越快,蘊含的能量就越大。原子和分子的集體能量,就是我們所感受到的熱。

至於完全靜止,也就是溫度上的絕對零度(0K),在物理上雖然不可能存在,但科學家已經越來越接近這個最終極限。在這類極端情況下,奇特的量子效應會開始浮現,形成不尋常的新物質狀態。尤其值得注意的是,將氣態原子雲(而不是液態或固態物質)冷卻到絕對溫標的幾分之一度時,研究人員將可觀察到物質粒子的波動特性,並依此建造出史上最精準的測量儀器,製作出最精確的原子鐘。

但是這類原子冷卻技術有個缺點,就是只適用於週期表中的某些元素,因此用途大受限制。舉例來說,最簡單的原子「氫」長年以來一直很難冷卻。不過,現在我們的研究團隊找到了新的冷卻方法,不但適用於大多數元素,也可用於許多種分子。

我的靈感來源是馬克士威(James Clerk Maxwell)在維多利亞時代提出的思想實驗。這位偉大的蘇格蘭物理學家提出一項理論,認為可能有個不遵守熱力學定律的「惡魔」。

這項新發現將可為基礎研究開拓出一條新方向,同時帶來各種實際用途。舉例來說,這項技術的各項變化或許有助於開發新的製程,純化在醫學和基礎研究上都有重要功用的稀有同位素。另外或許還有一項附帶效益,就是提升電腦晶片奈米製程技術的精確度。在科學方面,研究人員可藉由冷卻原子和分子,探索介於量子物理和一般化學之間這塊目前還沒有人探究過的領域,或是發掘物質和反物質之間可能的特性差異。另外,超冷氫原子及其同位素還有助於小型實驗室解答某些原本必須借助粒子加速器等大型實驗儀器才能解決的基礎物理問題。

飛快的子彈

凍結並操縱原子和分子並不是件簡單的事。在典型的實驗中,研究人員先加熱固態的特定化學元素,製造出純化的氣體,或以雷射直接汽化;接著將氣體減速,局限在真空室中,並與真空室內壁保持距離。

我採用的技術是「古法」。40多年前,化學家發現在好幾個大氣壓力下,讓氣體通過小孔,進入真空,氣體會在膨脹時明顯冷卻。最重要的是,這類「超音速氣體束」接近完全「單能狀態」(monoenergetic),也就是氣體分子的個別速率相當接近平均值。舉例來說,如果氣體束的時速為3000公里,那麼其中分子的個別時速與平均時速的差距最多為30公里。相較之下,室溫下的空氣分子平均時速同樣為3000公里,但個別分子的時速卻可能從0~4000公里都有。

從熱力學的觀點看來,這表示氣體束雖然擁有相當大的能量,溫度卻非常低。我們可以將它想成這樣:假如觀察者與氣體束同樣以時速3000公里前進,便會覺得氣體分子移動得非常慢,而氣體束的溫度則會低到只有0.01K(也就是絕對溫標的0.01度)!

我發現,如果我們能將此類氣體束的速度減到極低,同時盡量縮小個別速度的分佈範圍,就可得到極低溫的原子團,便於捕獲並進一步冷卻。

為了達到這個目標,我們的團隊於2004年開始與以色列特拉維夫大學化學家伊文(Uzi Even)合作,研究超音速氣體束。我們的第一次嘗試是製作一枚邊緣有葉片的轉子,以超音速氣體束的一半速度旋轉,且葉片會慢慢後退。我們讓氣體束對準轉子上的葉片,並且讓葉片後退的速度確切抵消氣體束的速度。氣體原子從轉子上彈開時,轉子會吸收氣體原子的所有動能,這就像網球拍邊後退邊攔截網球,便可讓網球停下。

不過,這樣的裝置使用不易,因為它必須調校得極度精準。美國德州大學奧斯丁分校電機中心主任赫布納(Robert Hebner)提出了另一種設計:讓砲彈在線圈砲管中加速,同時讓氣體撞擊砲彈背面後彈開。線圈砲是一種實驗性武器,以磁場取代火藥,將磁化的砲彈推出砲管。它的運作方式是讓電流通過一連串線圈,形成磁場,再讓砲彈通過這些線圈,使砲彈加速。砲彈本身其實就是棒狀磁鐵,在通過線圈時會被吸往線圈管的正中央,在磁力作用下逐漸加速;另一方面,砲彈通過線圈管正中央之後,磁力又會將它回推,使它減慢到原來的速度。但是,線圈中的電流會算準在砲彈通過線圈管中央時關閉,使磁力永遠朝同一方向推動,讓砲彈在砲管中持續前進。不久後我就發現,我們可以採用赫布納的構想,但完全不使用砲彈,而是將相同的原理運用在氣體束上,只是方向相反:砲管中的線圈不用於加速砲彈,而是直接作用於氣體分子,使分子逐漸靜止。這種方法之所以可行,是因為原子或多或少具有一些磁性,而要是電子處於激發態,則原子全都帶有磁性。此外,有許多分子也帶有磁性。

我們依此構想建造了新的實驗裝置,先測試激發態下的氖原子,接著再測試氧分子,並且成功使這兩者都靜止下來。在此同時,瑞士聯邦理工學院的默克特(Frederic Merkt)也率領了另一個研究團隊,不約而同提出了相同構想,並且成功使氫原子靜止下來。目前全世界已有好幾個研究團隊,僅僅使用一般銅線與現成的電容器和電晶體等材料,便製作出相當簡單耐用的原子線圈砲。

以這種方式成功讓原子靜止之後,要把原子捕獲在靜磁場中就顯得相當容易,比較困難的則是找出進一步冷卻的方法。儘管0.01K聽起來已是極低溫,但距離其他技術能達到的極限依舊相當遙遠。我們還得尋求其他方法進一步降低溫度。

只進不出的單行道

在其他人尚未想到原子線圈砲之前,我就已著手研究一般冷卻方法,但一直找不出解決方案。1980年代發明的雷射冷卻技術效果極為優異,不僅有助於創造出玻色–愛因斯坦凝聚體這種物質態,更成為1997和2001年諾貝爾物理獎的要角。但是,雷射冷卻大多只能用於鈉或鉀等位於週期表第一行的原子,因為雷射冷卻技術必須讓原子在基態和第一激發態之間轉換,而這類原子比較容易進行這種轉換。我曾經考慮過的另一種方法是蒸發冷卻,這種方法是使高溫原子蒸發,留下溫度較低的原子(其原理就等同於汗水由皮膚表面蒸發後可使體溫降低)。然而如果不使用雷射冷卻輔助,我們很難將密度提高到足以產生蒸發的程度。

2004年2月,我前往普林斯頓大學,拜訪電漿物理學家費希(Nathaniel J. Fisch)。他跟我提到他剛好有個關於控制電漿(由電子和正離子組成的氣體)的構想,也就是使電漿中的電子朝同一方向行進,我們或許能將相同的構想運用在原子或分子上:製作出某種「閘門」,讓原子只能以單一方向前進,逆向則無法通過。

此處我想暫且將製作單向閘門的技術問題放在一邊,先說明這類裝置為何有助於冷卻氣體。冷卻程序的第一步是在溫度維持恆定的狀態下縮減氣體體積。假設有個閘門將容器分成兩部份,氣體原子在容器中隨意彈跳,且最後都會通過閘門。如果閘門只能容許原子朝一個方向通過(假設是從左到右),那麼最後所有原子都會集中在容器右半邊。最重要的是在這個過程中,原子的速度不會改變,所以氣體溫度也會和初始狀態相同。(就熱力學而言,這個程序完全不同於將氣體壓縮成一半的體積,因為壓縮會使原子加速,進而提高溫度。)

第二步是讓氣體膨脹,回復原本的體積。氣體膨脹時,溫度會隨之下降,這也是使用噴霧罐時,罐身會變冰涼的原因。如此一來,最後結果就是氣體的體積沒有改變,但溫度降低了。

但物理學家長久以來一直感到很困惑,因為這種原子篩選閘門似乎違反了物理定律。在壓縮狀態下,氣體的熵較低(熵是系統亂度的度量);但根據熱力學第二定律,我們降低一個系統的熵時,一定會消耗能量,並在其他地方產生更多的熵以達到平衡。

自從1871年馬克士威進行了一項思想實驗之後,這個矛盾就一直是極具爭議的題目。在這項實驗中,某個「具有靈巧雙手的智慧生物」能夠看見粒子來來去去,並隨之開關閘門。這個假設的生物「馬克士威的惡魔」顯然違反熱力學第二定律,因為它能降低氣體的熵,但消耗的能量則少到可以忽略。過了許多年之後,這個矛盾才由西拉德(Leo Szilard)於1929年解決。他指出,這個惡魔在閘門每次開啟時蒐集資訊,但這項資訊本身就帶有熵,正好平衡氣體減少的熵,因此「挽救」了熱力學第二定律。(其實西拉德已經超前了時代,因為要到1930年代,資訊具備實際物理意義的概念才出現,並啟發了現代資訊科學。)

馬克士威的惡魔等所有相關想法(包括西拉德的解決方案)其實都純屬推測,數十年來似乎也沒有進一步的進展。然而,我和同事依照馬克士威的設計,率先把馬克士威的思想實驗具體實現出來(近年來有某些實驗在概念上與我們相當接近,不過是運用在奈米機械上,而不是製作氣體閘門)。我們運用這種方式,將原子冷卻到1.5×10-5K。

稍後我們就可了解,我們建造的裝置將可解釋馬克士威的惡魔如何實際存在,以及西拉德的見解(資訊扮演重要角色)為什麼是正確的。

根據我的推論,這種單向閘門要能運作,氣體中的原子必須具有兩個不同的狀態(即環繞電子的可能組態),而且兩者的能量都很低,因此也相當穩定。我們暫且把這兩個狀態稱為藍色和紅色狀態。原子懸浮在容器中,而容器中央有一道雷射光束穿過。這道光束的波長經過仔細調校,可使紅色原子接觸光束時彈回,因此實質上相當於關閉的閘門。起初所有原子都是藍色狀態,因此可以暢通無阻地通過雷射障壁。但在光束閘門的右邊,原子會接觸到另一道雷射光束,這道光束可散射出單一光子,使原子由藍色狀態轉為紅色狀態。原子轉為紅色之後,會被障壁光束推斥,因此無法通過閘門回到左半邊。最後,所有的原子會集中在右半邊,左半邊則變成全空。

2008年初,我們首度以銣原子展示我們製作的閘門。我們將這種方法稱為「單一光子冷卻法」,以便與先前的雷射冷卻法區別,因為以往的雷射冷卻需要用到許多光子,才能冷卻一個原子。

在此同時,我並不曉得西班牙畢爾包大學的穆嘉(Gonzalo Muga)與目前任職於德國漢諾威萊布尼茲大學的魯希霍普特(Andreas Ruschhaupt)也提出了類似構想,後來我與他們對閘門理論也得出了一些心得。我們在2006年共同發表的一篇論文中指出,原子散射出一個光子時,光子便攜帶著這個原子的相關資訊,因此也帶有微小的熵量子。

不僅如此,儘管原來的光子出自一連串有秩序的光子(雷射光束),散射的光子卻沒有固定方向。如此一來,光子的亂度變得較大,另外我們也證明光所增加的熵正好等於原子被單向閘門捕獲後所減少的熵。因此,就如西拉德於1929年提出的理論,單一光子冷卻法的作用就相當於馬克士威的惡魔。這個例子中的惡魔格外簡單而有效:雷射光束散射出單一原子,引發一個不可逆的過程。這個惡魔當然不是有智慧的生物,也不是電腦,因此也不需要依據來自原子的資訊做決定,只要這樣的資訊原則上是可以取得、蒐集的,就足夠了。

捕獲與冷卻的新疆域

原子與分子的運動控制,開啟了科學研究的新方向。化學家很早之前就夢想能捕獲並冷卻分子,以研究量子領域中的化學反應。線圈砲可以作用於各種磁性分子,也彌補了另一種冷卻方法的不足。這種方法以電力(而非磁力)來降低電極性分子的速度。如果分子夠小,單一光子冷卻法應該可以將溫度降低到一定程度,讓量子現象開始主導反應。舉例來說,分子將會轉變成延長的波動,可在更長的距離內進行化學反應,而且不需一般化學反應所需的動能,目前已有幾個研究團隊朝這個方向進行研究。

單一光子冷卻法的另一項主要優點是能作用於氫,而且也可作用於其同位素氘(原子核中有一個質子和一個中子)以及氚(原子核中有一個質子和兩個中子)。1990年代末,在美國麻省理工學院的克萊普納(Dan Kleppner)和葛雷塔克(Thomas J. Greytak)的努力之下,終於運用超低溫技術和蒸發冷卻成功捕獲並冷卻了氫,但對於其他同位素則一直沒有成功。要有更多的進展,就必須使用新方法,以較簡單的設備來捕獲並冷卻氫的同位素。單一光子冷卻法非常適合用來捕獲並冷卻氫原子及其同位素。還有一項目標是將超高精度光譜學的極限向前推進,這也是冷卻原子的重要應用。

將氚加以捕獲並冷卻,將有助於測定微中子這種目前宇宙中已知最多的基本粒子的質量,並進一步了解這種粒子對宇宙演化產生的重力效應。氚具有放射性,當原子核中的一個中子衰變成一個質子、一個電子和反微中子(微中子的反物質),氚就會轉變成氦3。由於電子會以β射線射出,因此物理學家藉由測量電子的能量,即可得知反微中子帶走的能量(因為反微中子會穿越實驗設備且偵測不到),從而得知反微中子的質量。根據物理學家的預測,微中子的質量應該與反微中子相同。

同樣的方法也可用於捕獲並冷卻反氫(氫的反物質)。反氫最近才由歐洲核子研究組織(CERN)創造出來,非常不容易處理,因為反物質只要一接觸到物質,立刻就會化為能量而消失無蹤。因此就反氫而言,我們不能以超音速氣體束的方法來著手。但是我們可以將反質子射入正子雲,產生反氫氣體束,再借助我們的馬克士威惡魔裝置將它減速並冷卻。如此一來,針對反氫進行的實驗將可解答一個簡單的問題:反物質是否會和物質一樣落下?也就是說,重力作用對於所有質量相同的物體是否都相同?

為醫藥與製程帶來重大突破

新的原子線圈砲和單一光子冷卻法等技術,也有相當重要的實際用途。週期表中大多數元素的同位素目前仍然是由「加州大學迴旋加速器」(Calutron)純化而來,這部迴旋加速器是勞倫斯(Ernest Lawrence)執行曼哈頓計畫時所發明的,藉由電場使質量略有差異的同位素分離,基本上就像是一具大型質譜儀。目前唯一還在進行的迴旋加速器計畫位於俄羅斯,不過效率相當低。我們可以借用冷卻程序中馬克士威惡魔的概念,來分離氣體束中的同位素,而且效率會比迴旋加速器更高。這種方法可製造少量同位素,例如與醫藥和基礎研究相關的鈣48或鐿168等,但不會有造成核子擴散的風險,因為這類加速器能分離出的同位素非常少量。

我們正在探求的另一項附帶效益,是用它來製作奈米尺度結構。我們不以磁場來減速原子,而是用來聚焦原子束,就如同以鏡頭來聚焦光束,且解析度高達一奈米以上。聚焦後的原子束可用來沉積原子,製造出的結構比目前以光學微影技術(電腦晶片的標準製程)所製造出的更加精細。目前奈米科學中較常以由上而下的方式來製造奈米尺度結構,之後這種方式便可為上述由下而上的方式所取代。如此將可開創出新的研究領域:原子科學(atomoscience)。

絕對零度或許是永遠無法達成的境界,但在追尋絕對零度的過程中,還有許多未知的東西,能夠帶給我們更多收穫。

(本文由科學人提供,原載科學人2011年第111期5月號)

發表迴響