波恩大学的研究人员创造了一种可以被极度压缩的轻粒子气体。他们的结果证实了量子物理学中心理论的预测。这些发现还可以为测量微小力的新型传感器指明道路。该研究发表在近期的《科学》杂志上。

如果你用手指堵住气泵的出口，你仍然可以将其活塞向下推。原因是因为气体很容易压缩，它不是像液体那样很难压缩。如果泵里装满的是水而不是空气，那么即使用最大的力气也基本上不可能把活塞按下去。

气体通常由在空间中快速旋转的原子或分子组成。它与光非常相似：光最小的构建单元是光子，在某些方面光子表现得像粒子。这些光子也可以被视为一种气体，但是它的行为有些不寻常，你可以在某些条件下毫不费力地压缩它。至少这是理论所预测的。

波恩大学应用物理研究所(IAP)的研究人员现在首次在实验中证明了这种效果。IAP的Julian Schmitt博士是该研究小组的首席研究员，他解释说：“为此，我们将光子放在一个由镜子制成的小盒子中。我们放在那里的光子越多，光子气体的密度就越大。”

物理规则通常如下：气体密度越大，压缩越难。气泵堵塞的情况也是如此——起初活塞可以很容易地向下推，但在到了某个时候，即使施加很大的力，它也很难再进一步移动。波恩大学的该实验最初是相似的：他们放入镜盒中的光子越多，压缩气体就越困难。

然而，这种行为在某一时刻突然发生了变化：一旦光子气体超过特定密度，它就会突然被压缩，几乎没有阻力。Schmitt解释说：“这种效应源于量子力学的规则”。原因是光子表现出“模糊性”——简单来说，它们的位置有些模糊。当它们以高密度彼此非常接近时，光子开始重叠。物理学家随后也谈到了气体的“量子简并”态。压缩这种量子简并气体会变得容易得多。

如果重叠足够强，轻粒子就会融合形成一种超光子，即玻色-爱因斯坦凝聚体。简单来说，这个过程可以比喻为水的冻结：在液态时，水分子是无序的；然后，在达到冰点时，第一个冰晶形成，最终融合成一个扩大的、高度有序的冰层。“有序岛”也是在玻色-爱因斯坦凝聚体形成之前形成的，随着光子的进一步增加，它们变得越来越大。

只有当这些岛长得如此之大—以至于顺序延伸到包含光子的整个镜盒时——才会形成冷凝物。这可以比作一个湖，独立的浮冰最终汇合在一起形成一个均匀的表面。自然，与小型盒子相比，需要在扩大的盒子中放置更多数量的光粒子。Schmitt指出：“我们能够在实验中证明这种关系。”

为了产生具有可变粒子数和明确温度的气体，研究人员利用了“热浴”原理。研究人员将分子放入到可以吸收光子的镜盒中。随后，它们会发射出新的光子，这些光子具有分子的平均温度。这一温度略低于300开尔文，大约是室温。

研究人员还必须克服另一个障碍：光子气体的密度通常不均匀——某些地方的粒子比其他地方多得多。这是由于它们通常包含在陷阱的形状中。该出版物的第一作者Erik Busley说：“我们在实验中采用了不同的方法。我们是在使用微结构化方法创建的平底镜盒中捕获光子。这使我们能够首次创建均匀的光子量子气体。”

未来，气体的这一量子增强压缩性将使研究能够测量微小力的新型传感器成为可能。除了技术应用前景外，这些结果对基础研究也会有很大的帮助。（编译:Qtech）