美首次證明能量均分定理適用于布朗粒子

　據英國《新科學家》雜志網站5月21日報道，美國得克薩斯大學的研究人員稱，他們首次通過實驗方法觀測到了布朗運動中單個粒子運動的瞬時速度，從而證明了能量均分定理適用于布朗粒子。而100年前愛因斯坦曾預言這是一件不可能完成的任務。相關論文發表在最新一期的美國《科學》雜志上。

　　布朗運動是氣體或液體中的微觀粒子不停進行無規則曲線運動的一種狀態，于1827年由英國植物學家布朗發現。1907年，愛因斯坦提出了能量均分定理。這一統計力學的基本理論認為，一個微觀粒子的動能只取決于其溫度，而與其大小和質量無關。但他預言，由于布朗運動中粒子間的高速碰撞會導致其運動方向和速度不斷發生變化，布朗運動中單個粒子的瞬時速度將無法測定，直接證明能量均分定理適用于布朗粒子難以實現。
　　得克薩斯大學的研究人員找到了一種在空氣中測定布朗粒子瞬時速度的方法。研究人員稱，由于空氣的密度遠低于水，所以粒子碰撞的頻率也要比液體中低得多，兩次碰撞的間隔時間相應的也要長一些。借助光鑷技術，該研究小組用兩束激光將一個直徑為3微米的玻璃珠捕獲，并讓其懸浮在空中。通過測量激光束偏移的距離，就可以計算出玻璃珠移動的距離。根據這些測量數據，研究人員每隔5微秒就可獲得一次玻璃珠的速度值，并直接證實了能量均分定理對于布朗粒子而言是站得住腳的。這項實驗成果也朝著將玻璃珠冷卻至較低能態以用作振蕩器或傳感器邁進了一步。
　　負責該研究的得克薩斯大學奧斯汀分校的物理學家馬克·雷曾說，100年前的人們無法設想用激光將布朗粒子懸浮在空中，也無法想象用超聲震動的方式來減緩布朗粒子的能量。下一步，他們計劃用激光進一步減緩布朗粒子的運動，以使之呈現其最低能態，從而展現通常只在亞原子身上才能看到的量子力學特性。
　　德國哥廷根大學的克里斯托夫·施密特說，從技術上看，雖然現在已經能夠在空間分辨率（通過儀器可識別物體的臨界幾何尺寸）上對多種粒子進行追蹤和定位，但能夠在如此短的時間內對布朗微粒的運動速度進行測量仍是一項重要的進展。
　　雷曾說：“這次我們觀測到了一個布朗粒子的瞬時速度。從某種意義上說，我們解決了普通物理學中布朗粒子瞬時速度測定的問題，但在量子物理學中，我們還將面臨著更多的挑戰。”他認為，在量子水平上，能量均分定理將不適用，因為受量子力學支配的物體即使溫度為零，也同樣具有一定的動能。