奥秘探索~玻色-爱因斯坦凝聚

大多数人初次听到玻色-爱因斯坦凝聚这个术语时，都感到既陌生又神秘。那它到底是什么意思呢？早在1924年，印度物理学家萨蒂延德拉·纳思·玻色（Satyendra Nath Bose，1894-1974）提出了一个分析光子行为的统计力学方法，也就是现在我们所说的“玻色统计”。玻色提出了一种新的统计理论，它与传统的统计理论仅在一条基本假定上不同。传统统计理论假定一个系统中所有粒子是可区别的。基于这一假定的经典统计理论圆满地解释了理想气体定律，取得了非凡的成功。然而玻色认为，我们实际上根本不可能区分两个光子有何不同。玻色讨论了如下问题：将N个相同的小球放进M个标号为1，2，……的箱子中，假定箱子的容积足够大，可能有多少种不同的放法？在此问题的基础上，他采用与传统统计相似的方法得到了一套新的统计理论。玻色的理论无须借助经典物理就可以正确描述光子的行为，但他在发表自己的论文时遇到了一些麻烦，因为人们不相信他的理论，不肯在科学杂志上刊登他的论文。于是玻色就将论文寄给了爱因斯坦这位当时最著名的物理学家。爱因斯坦立刻意识到这篇论文的重要性，并通过自己的影响力将它发表在德国的学术刊物上。也许有人会问，玻色的理论为什么还同时用爱因斯坦的名字命名呢？事实上，爱因斯坦不仅帮助玻色发表论文，而且进一步对他的理论进行深化和推广。爱因斯坦认为，玻色的理论不但对光子适用，而且可以用来研究所有原子的行为。他最终建立了遵守玻色-爱因斯坦统计的粒子的完整量子理论模型。有关结果在1924-1925年的两篇论文中发表。所谓的“玻色-爱因斯坦统计”就这样诞生了。爱因斯坦发现，他建立的方程式表明，原子在非常低的温度下的表现与通常状态相比大为不同。如果原子足够冷，那么就可能会有一些不同寻常的事情发生。它是那样的奇异，以至爱因斯坦无法确定自己的理论是否正确。也许有人认为，爱因斯坦是永远不会错的，但事实上他只对了一半。因为并不是所有的原子都遵守玻色-爱因斯坦统计。现在我们已经知道，粒子实际上可以分成两大类。所有微观粒子均有自旋，其效果等价于粒子的自旋角动量，但又不是由机械运动产生的。奇怪的是，自旋的取值，以普朗克常数为单位，取分立的值。一类粒子自旋取值是半整数，如1/2，3/2，5/2……叫费米子，如电子、质子等，遵守费米-狄拉克统计；另一类取值为整数，如0，1，2……称为玻色子，如光子、介子等，遵守玻色-爱因斯坦统计。爱因斯坦的理论表明，无相互作用的玻色子在足够低的温度下，将发生相变，即全部玻色子会分布在相同的最低能级上。这就是著名的“玻色-爱因斯坦凝聚”（BEC：Bose-Einstein Condensation）如何实现玻色-爱因斯坦凝聚爱因斯坦的预言引起了实验物理学家的广泛兴趣，并部分实现了玻色-爱因斯坦凝聚，例如超导中的库伯电子对无电阻现象，超流体中的无摩擦现象。但因其系统特别复杂，难以对玻色-爱因斯坦凝聚现象进行充分的研究。然而1995年以前，人们一直未能观察到严格意义上的BEC现象。原因何在呢？这是因为BEC的实现条件太苛刻了。它要求凝聚粒子（原子）的德布罗意波彼此重叠，同时又要求原子的内部运动可以忽略。通常情况下，这两种要求是互相矛盾的。任何微观粒子都具有波动性，即一定的粒子相应的具有一定的物质波（德布罗意波），其波长与粒子的动量成反比。德布罗意波彼此重叠一般要求原子靠得很近，从而原子之间会出现交换电子等“强作用”，但这样一来，原子内部的运动就不可忽略了。因此，为了满足原子内部运动可以忽略这个条件，就应使原子彼此间相距很远，也就是应该考虑的是稀薄气体原子。但此时要使德布罗意波彼此重叠，只有增大其波长。为此，可以减少原子的动量，或者说，降低原子气体的温度，使之足够低，导致原子的德布罗意波有足够长，可以彼此重叠，全体进入相同的量子态（一般是能量最低态）。可见，这里的技术关键是使原子气体的温度降到非常低。这也是与低温冷却有关的研究屡次获得诺贝尔物理学奖的原因所在。早在1976年，人们开始寻找实现BEC的办法。当时，诺桑劳、斯特瓦里提出，自旋极化的氢原子实际上是玻色子，一般不会结合为分子。后来，麻省理工学院的克勒普奈尔和格瑞达克、阿姆斯特丹的斯尔威那和瓦尔纳文利用所谓的“蒸汽冷却”法，以后又有人利用“磁陷阱”法冷却自旋极化的氢原子气体，试图实现“玻色-爱因斯坦凝聚”，但都未能取得成功。实现玻色-爱因斯坦凝聚的第一步是激光冷却原子，其基本原理是通过原子与光子的动量交换来达到冷却原子的目的。通过这一步骤可以将原子冷却到10-4开，然后再用蒸发冷却的方法把热的原子蒸发掉，使原子达到所需要的温度。

在我们的印象中，激光是非常强的光。当物体被激光照射后，立刻会因为吸收了激光的能量使温度迅速升高，现在要用它来冷却原子，这简直是不可思议的事情。事实上，这个巧妙的“诡计”是让光子从原子反弹回来而不是让原子将光子吸收。当反弹回来时，光子就会将原子的能量带走，从而降低了它的温度。正是使用了这种方法，美籍华人朱棣文（Steven Chu），法国的克劳德·柯恩-唐努吉（Claude Cohen-Tannondji）和美国的威廉·菲利普斯（William Phillps）首先将原子冷却到大约10-6开，并因此分享了1997年的诺贝尔物理学奖。然而，用激光方法最多也只能将原子冷却到大约一百万分之一开，还远远达不到玻色-爱因斯坦凝聚所要求的温度。为此，第二步是用蒸发冷却的方法继续冷却原子。为理解这种方法，让我们首先观察一背热水是如何变冷的。盛放在一个茶杯中的热水是由许多水分子组成的，000008C0 这些水分子的能量有大有小。因为能量大的水分子运动得快，所以它们很快就从杯子上边跑出去，变成水汽飞到空气中了。这样，随着能量大的水分子逐渐跑掉，水的温度就慢慢变冷了。假如我们也有一个盛放原子的杯子将原子囚禁在里面，那么只要有足够的时间，杯子中的原子就会冷却到足够低的温度了。对玻色-爱因斯坦凝聚而言，我们所用的杯子是用磁场做的。原子被放到这个“磁杯”中进行蒸发冷却，称为磁囚禁阱。我们知道，原子本身是有磁性的。我们可以设计一个很强的磁场，像一口井一样将原子囚禁在里面，使它与外界隔离。这样，能量高的原子就会逐渐从井沿逃逸掉，原子就慢慢冷却了。当然，这个过程是很慢的。如果我们将井的高度降低，冷却的速度就会加快。实际上，在进行玻色-爱因斯坦凝聚时，人们正是通过逐渐降低井的高度来加快冷却速度的。当然，这个速度必须很好地加以控制。因为速度太快，最终达到玻色-爱因斯坦凝聚态的原子就会太少。通过仔细控制速度，人们就可以在比较短的时间里使大多数原子达到玻色-爱因斯坦凝聚态了。通过上述巧妙的方法，物理学家终于实现了几十年的梦想。1995年6月5日，康奈尔和维曼他们终于将温度降到1.7×10-7开，刷新了当时全球的最低冷却温度的记录，原子数密度为每立方厘米2.5×1012个，出现明显的“玻色-爱因斯坦凝聚”现象。为了观察并记录“玻色-爱因斯坦凝聚”，维曼等人想出一个“弹性膨胀”的绝招。首先将磁陷阱的约束力的弹性系数降低到1/75，然后突然将它减至零（无约束力）。结果，铷原子气体像弹射一样猝然膨胀。科学家用激光对此膨胀的原子云进行照相，相片反映的是陷阱打开以前原子云的速度分布。对照片进行分析表明，开始时铷原子的速度几乎接近于零，它的速度分布范围也小，只是速度为零或接近零的原子稍多而已。随着温度下降，速度为零或接000005B4 近零的原子数急剧增加，而且其中运动极慢的原子的运动方向有趋同性的明显趋势。显然，这些铷原子（大约超过1000个）实现了“玻色-爱因斯坦凝聚”，并且保持的时间有数秒之久。这种凝聚发生在宏观尺度，开辟了宏观量子现象的新天地。麻省理工学院的克勒普奈尔激动地说：“这是一项惊人的发现，照片显示的实验结果清楚极了，非常令人信服。”牛津大学的伯耐特更是对此赞叹不已：“用圣杯这个词来比喻这项发现的奇特和重要性，是极为恰当。”科学界的欢呼声尚未消逝，更为壮观的事情发生了，这回轮到克特勒、克勒普奈尔等成为大家赞颂的英雄了。1996年6月，他们在麻省理工学院利用激光和电磁装置冷却和约束稀薄钠原子气体，奇迹般地使500万个钠原子呈“玻色-爱因斯坦凝聚”，持续的时间长达30秒，在探索物质的这些新形态方面取得了惊人的突破性进展。随后，他们对这种奇异的状态进行更深入的研究。他还利用两个“超原子”得到了非常清楚的干涉条纹，就如同两束激光相遇产生的干涉条纹一样。他们的成功在世界范围内掀起了研究玻色-爱因斯坦凝聚的高潮。现在世界上有许多实验室已经成功地实现玻色-爱因斯坦凝聚，锂和钾的凝聚态在去年获得。降000005B4 了碱金属以外，法国科学家还在去年首次制造出氦原子的玻色-爱因斯坦凝聚态。而上海光机所在2002年3月19日也观察到了玻色-爱因斯坦凝聚现象，这是中国首次实现玻色-爱因斯坦凝聚。玻色-爱因斯坦凝聚在实验技术方面的的进展也非常迅速。科学家去年研究出一种很小的芯片，可以在很短的时间内让原子达到玻色-爱因斯坦凝聚态。这一成果将使更多的实验室加入到这一领域的研究中。2002年,德国慕尼黑大学的雅各布·赖歇尔等人在实现玻色-爱因斯坦凝聚技术的小型化方面取得了重大进展，他们研制出一种长2.3厘米,宽1.9厘米的微型芯片。这种芯片可以产生冷却原子的磁囚