2004年展望秋季系列演講

絕對0°下原子波 探索宇宙奧秘

最近更新時間: Sun, 10/24/2004 12:20 PM


展望講座》



展望科學的極限系列演講活動,中正大學物理系教授韓殿君主講「當粒子變成波─極低溫下原子的奇異行為」。


【記者孟祥傑/台北報導】

所有物質都會產生「波」,卻很難用肉眼觀測,科學界已發現雷射冷卻原子後會產生原子波,當溫度降至絕對零度時,所有原子更會凝聚在一起;利用這項特性,未來科學家可望在實驗室內模擬超新星爆炸及人造黑洞,探索未知的宇宙奧秘。

國科會與聯合報、公共電視、科學人雜誌、中廣公司、News98 合辦、中央大學理學院科學教育中心承辦的「二○○四展望演講秋季系列—科學的極限」,第二場由中正大學物理系助理教授韓殿君主講「當粒子變成波-極低溫下原子的奇異行為」。

韓殿君指出,一九二四年是物理學界重要的一年,法國物理學家德布洛依提出「物質波」假設,包括原子在內的所有粒子,所處環境溫度愈低時,波長就會愈長,最後就形成「波」;同一年,物理學大師愛因斯坦與印度科學家玻色提出「玻色-愛因斯坦凝聚」假設,即當溫度非常低時,原子會突然大量聚集在能量最低的狀態。

韓殿君說,這兩個假說當年都未獲科學界重視,在各版本的愛因斯坦傳記中,僅少數幾本提到「玻色-愛因斯坦凝聚」,且都未詳細說明理論內容,但經過幾十年後,許多科學實驗發現,兩人的假說有極多關聯,也就是說,當溫度極低時,原子會凝聚在能量最低的狀態,並產生波動。

韓殿君表示,物質波的波長與原子溫度有關,當原子在溫度很高的時候,會顯示清楚的位置與運動軌跡,但因波長非常小,無法表現出波動現象,人眼也無法觀測到這種變化,但是當溫度一再降低時,原子運動速度變慢、動量變小,波長則隨之變長,波動逐漸顯現,並漸漸失去原子原本的特性。

當溫度再降低達到絕對零度、攝氏零下兩百七十三度時,原子波動更強,當原子的波長和原子間的距離相同時,原子就會突然大量聚集在能量最低的狀態,這種現象就像氣體在低溫時凝聚成液體,即物理上所稱的凝聚態。

一九八六年,前中研院院士朱棣文等人研發出雷射冷卻技術,將物質冷凍到以前無法達到的低溫,觀察到許多常溫下無法觀察的量子現象,例如量子干涉、量子躍遷、量子測量問題、古典與量子世界的轉換等,朱棣文等人在一九九七年獲得諾貝爾獎。

一九九五年,美國物理學家魏曼、康乃爾,利用雷射冷卻首度觀測到「玻色-愛因斯坦凝聚」現象,凱特立則利用蒸發冷卻觀測到相同現象,三人在二○○一年共同獲得諾貝爾獎。

韓殿君指出,原子在磁聚中無法自行降溫,必須藉由雷射冷卻或蒸發冷卻,才能帶走原子團的熱量。雷射冷卻利用雷射將光子打在向雷射來源方向運動的原子,原子吸收了光子的動量後,因與雷射動量方向相反,無法將吸收的光子動量變為振動能或轉動能,動量因此變小、速度變慢,兩者經過多次碰撞後,原子動量愈來愈小,溫度也就愈來愈低。

蒸發冷卻的原理則是當原子在磁聚中,以較高頻率的電磁波改變原子中電子自旋方向,因自旋方向改變後的原子,與其他原子作用力方向相反,就會被排斥而離開磁聚,剩下的原子團在磁聚中再進行碰撞,達到新的熱平衡,溫度就會降低,只要持續將電磁波頻率降低,趕走次熱的原子,系統內溫度就可持續下降,最後達成「玻色-愛因斯坦凝聚」現象。

韓殿君表示,「玻色-愛因斯坦凝聚」理論獲得證實後,代表研發出原子雷射的可能性,因原子波波長比光波波長來得短,所以原子雷射比光子雷射有更高的精密度,加上原子擁有複雜的內在結構,可塑性相當高,對於未來精準量測、積體原子光學、量子訊息與計算、量子與統計物理、奈米研究、遺傳醫學等領域,都是一大突破,為原子物理開啟了新紀元。

他指出,這項理論也可應用於宇宙天文研究,未來或許可在實驗室內模擬超新星爆炸、中子星與白矮星塌陷,甚至做出可維持較持久的人造黑洞,發展出「桌上天文學」,且可製造出更精確的原子鐘作為太空航行之用,或製造精確的全球定位系統,或發展高解析度干涉儀,更精確測量重力場強度並用於探礦等,對於探索未知世界將有無法預測的影響性。

韓殿君的研究團隊從二○○○年起,即在中正大學設立雷射冷卻實驗室成功觀測到「玻色-愛因斯坦凝聚」現象,成為國內第一個驗證的實驗團隊,目前除了韓殿君主持的研究團隊外,清大物理系教授余怡德、成大物理系教授蔡錦俊也積極投入相關研究,希望有朝一日讓台灣能在這項正受國際矚目的新物理領域中,居於世界重要領導地位。

【2004/10/24 聯合報】

http://udn.com/NEWS/NATIONAL/NAT5/2310423.shtml

講者側寫》韓殿君 與諾貝爾獎擦身而過

本報記者孟祥傑


中正大學物理系助理教授韓殿君,七年前在美國念博士班時,用雷射冷卻將原子降至極低溫後,產生用肉眼即可觀測到的原子波,驗證了「玻色-愛因斯坦凝聚」理論,成為全球第四個驗證這項物理新理論的科學家,只比第一個驗證此理論並榮獲諾貝爾獎的魏曼等人晚了兩年。韓殿君說:「能與諾貝爾獎擦身而過,是我這輩子感到最驕傲的事。」

韓殿君高一時看完愛因斯坦傳後,立志要成為物理學家,雖然當軍醫的父親希望他也當醫生或老師,但當韓殿君告訴父親:「念物理是我最大的興趣」後,父親說:「只要你有興趣,就放手去念,我唯一的要求,就是別半途而廢。」父親這席話,至今仍是韓殿君投入物理研究的最大動力。

四十五歲的韓殿君,清大物理研究所畢業後,卅二歲才到美國德州大學攻讀物理博士,專攻「玻色-愛因斯坦凝聚」理論,以雷射冷卻驗證這項理論,當時麻省理工、哈佛、史丹福等,都投入大批人力物力,但韓殿君所屬的德州大學團隊,只有三個人。

一九九七年某天深夜,韓殿君與另一名研究員在做了長達十個小時實驗後,認為當天實驗大概不會有結果,決定第二天再重頭來過,韓殿君則留下來整理實驗資料,但愈想愈不甘心,就獨自再做一次實驗。

半夜兩點多,實驗室監視器螢幕上突然出現色彩繽紛的原子波畫面,他一度懷疑自己的眼睛,仔細再看一次,確認真的不是眼花,於是趕緊記下所有實驗過程。

韓殿君說,他當時高興得差點大叫,但回到宿舍後還是興奮得睡不著覺,第二天近中午回到實驗室,接到魏曼研究生的電話,證實他所做的實驗過程完全正確,當場與學長抱在一起尖叫,「因為我們在經費、人力短少的情況下,竟然能做出與其他大型研究團隊同樣的實驗結果,這簡直是不可能的任務。」

【2004/10/24 聯合報】

 


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