威海大叔和叶子吃饭:什么是玻色爱因斯坦凝聚？

极底的温度下，遵从玻色-爱因斯坦统计规律的粒子都凝聚到能量最低的态上。是在动量空间的凝聚

这一结果是早就被玻色-爱因斯坦语言，最近这些年得到了实验验证。

瑞典皇家科学院10月9日宣布，将2001年诺贝尔物理学奖授予美国科学家埃里克·康奈尔、卡尔·维曼和德国科学家沃尔夫冈·克特勒，以表彰他们根据玻色－爱因斯坦理论发现了一种新的物质状态——“碱金属原子稀薄气体的玻色－爱因斯坦凝聚（BEC）”。

??埃里克·康奈尔1961年出生于美国加利福尼亚州，1990年获得美国麻省理工学院物理博士头衔，现就职于美国国家标准与技术研究所。卡尔·维曼1951年出生于美国俄勒冈州，1977年获美国斯坦福大学物理博士头衔，现为美国科罗拉多大学教授。沃尔夫冈·克特勒1957年出生于德国的海德堡，1986年获德国慕尼黑路德维希－马克西米利安大学物理博士头衔，现为美国麻省理工学院物理教授。

??据光明日报，上世纪初，在黑体辐射和光电效应的研究中诞生了量子概念，光的量子被称为光子。1924年印度物理学家玻色提出黑体辐射是光子理想气体的观点，他研究了“光子在各能级上的分布”问题，以不同于普朗克的方式推导出普朗克黑体辐射公式。他将这一结果寄给爱因斯坦。爱因斯坦意识到玻色工作的重要性，立即着手这一问题的研究。他于1924和1925年发表两篇文章，将玻色对光子的统计方法推广到某类原子，并预言当这类原子的温度足够低时，所有的原子就会突然聚集在一种尽可能低的能量状态，这就是我们所说的玻色－爱因斯坦凝聚。在很长一段时间里，没有任何物理系统被认为与玻色－爱因斯坦凝聚现象有关。1938年，伦敦提出低温下液氦的超流现象可能是氦原子玻色凝聚的体现，玻色－爱因斯坦凝聚才真正引起物理学界的重视。

??除了用于解释超流和超导外，玻色－爱因斯坦凝聚这一概念已经扩展到物理学的很多领域，如半导体物理学、天体物理学以及基本粒子物理学等。虽然超流和超导等都显示了玻色－爱因斯坦凝聚现象的存在，但这些系统都很复杂，凝聚现象只部分地发生在这些系统中，系统中的强相互作用也使得玻色－爱因斯坦凝聚现象表现得不那么明显。在上个世纪五十年代，物理学家发展了很多弱相互作用玻色系统的理论，华人物理学家杨振宁、李政道和黄克逊在这方面做了很出色的工作。然而这些理论在1995年之前都没有得到很好的验证。由于气体中原子之间的相互作用很弱，更接近于爱因斯坦提出这一概念的系统，同时也使得理论与实验的比较变得容易。在气体中实现玻色－爱因斯坦凝聚成为物理学家长期的梦想。

??1995年6月，维曼和康奈尔的研究组在铷（87Rb）原子蒸气中第一次直接观测到玻色－爱因斯坦凝聚。几个月后，麻省理工学院的沃尔夫冈·克特勒研究组在钠（23Na）原子蒸气中实现了玻色－爱因斯坦凝聚。此后，这个领域经历了爆发性的发展。目前世界上已有近30个研究组在稀薄原子气中实现了玻色－爱因斯坦凝聚，其中包括日本的三个研究组。

??玻色－爱因斯坦凝聚体所具有的奇特性质，使它不仅对基础研究有重要意义，而且在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都让人看到了非常美好的应用前景。凝聚体中的原子几乎不动，可以用来设计精确度更高的原子钟，以应用于太空航行和精确定位等。凝聚体具有很好相干性，可以用于研制高精度的原子干涉仪，测量各种势场，测量重力场加速度和加速度的变化等。原子激光也可能用于集成电路的制造，大大提高集成电路的密度，因此将大大提高电脑芯片的运算速度。凝聚体还被建议用于量子信息的处理，为量子计算机的研究提供另外一种选择。随着对玻色－爱因斯坦凝聚研究的深入，谁敢说它不会像激光的发现那样给人类带来另外一次技术革命？

??我国在这一领域工作的物理学家大多从事理论研究，在国际上发表了一批有一定影响的成果。中科院上海光机所、北京大学等单位也正从事这方面的实验研究，在激光冷却以及原子囚禁方面取得了一定突破，然而离实现玻色－爱因斯坦凝聚尚有一段距离。这与我国在这个领域长期投入和积累不够有关。在这领域，我们已经失去了争取在国际上占有领先地位的最佳机遇。然而这个领域是我国不能放弃的一个领域，它对基础研究和应用研究都具有重要的意义。我国应加强这方面人才的培养和引进，加强基础性实验室的建设，加大投资力度，使我国尽快赶上国际水平。

诺贝尔奖自1901年颁发以来，一直是世人所公认的最高荣誉奖项。 在它的六个奖项中，物理学、化学和医学（或生理学）奖尤为引人注 目。下面仅就自己所熟知的领域谈谈物理学奖的概况。今年是诺贝尔 奖颁发百年纪念，因此这次物理学奖的颁发被人们认为有着特殊的意 义，Nature、Science以及各种媒体都先后聚焦于10月9日。美国麻省理 工学院（MIT）的Wolfgang Ketterle和科罗拉多大学JILA研究所的Carl Wieman，Eric Cornell因实验上实现玻色－爱因斯坦凝聚（简称BEC） 现象而分享了本年度诺贝尔物理学奖。

三位获奖者，从左至右分别为Ketterle, Cornell和Wieman BEC是物质的一种奇特的状态，处于这种状态的大量原子的行为 像单个粒子一样。打个比方，练兵场上的士兵刚解散不久，突然指挥 官发令“向东齐步走”，于是所有的士兵像一个士兵一样整齐的向东 走去。如果将士兵缩小到原子尺度，以至于分辨不出谁是谁，我们便 看到了“BEC”。那为什么冠以玻色－爱因斯坦的名字呢？有这样一 段插曲。 1924年，年轻的印度物理学家玻色寄给爱因斯坦一篇论文，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体系中所有的原子（或分子）都是可以辨别的， 我们可以给一个原子取名张三，另一个取名李四……，并且不会将张 三认成李四，也不会将李四认成张三。基于这一假定的传统理论圆满 地解释了理想气体定律，可以说取得了非凡的成功。然而玻色却挑战 了上面的假定，认为在原子尺度上我们根本不可能区分两个同类原子 （如两个氧原子）有什么不同。接着，玻色讨论了如下一个问题（这 个问题所有高中生都做过）：将N个相同的小球放进M个标号为1,2,…, M的箱子中，假定箱子的容积足够大，有多少种不同的放法？在此问 题的基础上，采用传统统计相似的作法，玻色便得到了一套新的统计 理论。 玻色的论文引起了爱因斯坦的高度重视，迅速帮玻色译成德文发 表。随后将玻色的理论用于原子气体中，进而推测在足够低的温度下， 所有原子有可能处在相同的最低能态上，所有的原子的行为像一个粒 子一样。后来物理界将这种现象称为玻色－爱因斯坦凝聚。值得注意 的是，这里的“凝聚”与日常生活中的凝聚不同，它表示原来不同状 态的原子突然“凝聚”到同一状态。 爱因斯坦的预测引起了实验物理学家的广泛兴趣。然而实现BEC 的条件极为苛刻和“矛盾”：一方面希望达到极低的温度，另一方面 还要求原子体系处于气态。实现低温的传统手段是蒸发制冷；而朱棣 文、Cohen-Tannoudj和Phillips发展的激光冷却和磁阱技术是另一种有效 的制冷方法，他们三人因此分享了1997年度诺贝尔物理学奖。1976年， Nosanow和Stwalley证明在任意低温下处于自旋极化的氢原子始终能保 持气态，则为实现第二个要求提供了希望。 但遗憾的是，众多的实验物理学家将自旋极化的氢原子气体降温， 并未观察到BEC现象。于是Wieman和Cornell开始将兴趣转向碱金属原 子气体，1995年，他们将铷原子限制在磁阱中进行激光冷却首次成功 的观察到原子气的BEC现象。同年，MIT的Ketterle也在钠原子气中实 现了BEC。BEC的实现不仅在基础研究方面具有重大意义，还可能在 “原子芯片”和量子计算机等方面有广泛的应用前景。因此今年的诺 贝尔l物理学奖授予Wieman、Cornell和Ketterle以表彰他们在BEC实验 方面的开创性工作。
Ketterle在纳原子气中实现的BEC，图片引自 MIT的BEC网页 从实现BEC的历程来看，有以下两个必备的客观条件：首先是理 论准备（玻色和爱因斯坦的工作），其次是实验手段的进步（朱棣文 等人的工作）。剩下的就是个人的素质了，要有眼光，走对路（Wieman、 Cornell和Ketterle选择碱金属原子气体作为冷却的对象）。这样看来， 诺贝尔物理学奖似乎不是什么神秘的东西。因此有人就会问为什么中 国内地就没有出现诺贝尔奖呢？下面谈谈我的个人看法。 诺贝尔物理学奖的宗旨是：“奖给在物理学领域内作出最重要的 发现或发明的人”。从这一宗旨来看，目前内地的实验条件远远达不 到产生诺贝尔（实验）奖项的条件，在理论工作领域出现突破可能相 对容易一些，但这些突破必须是重大的原始创新，它实质上是科学气 氛于科学精神的产物，以下条件是必不可少的： 思想开放，不迷信权威。创新就是要打破某些已有的定论，因循 守旧，盲从权威是不可能有所创新的。中国的知识分子经历了太多的 苦难以及封建思想的残余，以至于思想里保守成分多，权威意识过强， 传统教育中以循规蹈矩为优等等都不利于创新。 科学文化的沉淀。任何重大创新不是凭空冒出来的，创新必须以 继承已有的优秀科学成果和思想方法为前提，这种科学文化需要长时 间的积累。而中国内地真正科学文化的萌芽起于1919年的五四运动， 后来又受文革的严重冲击，因此真正的科学文化沉淀也就20来年时间， 比起西方三四百年简直是小菜。 热情奔放而又执著追求科学的年轻人。据中科院2001年科学发展 报告统计，诺贝尔物理学奖得主作出代表性工作的平均年龄为36岁， 他们从很小就开始对物理学感兴趣并一直钟爱着物理学。他们能如此 执著，一方面是经济条件还不错，更重要的是他们从小所受的教育是 以充分发挥自己的个性为主。而内地的教育更乐意将学生培养成标准 的螺丝钉，学生本人则很少有太多的想法和目标，在经济大潮的影响 下立刻便沉到“海”里去了。 总之，诺贝尔物理学奖是在继承前人优秀的成果基础上的重大创 新，目前中国内地并不具备上述创新的条件。但值得庆幸的是，自改 革开放以来，思想界也有所解放，国家对科学重视程度提高，国际交 流与合作也日益广泛和深入，我想经过漫长时间的努力，中国大陆有 望出现诺贝尔物理学奖。