依據(jù)微觀粒子統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的不同，物理學(xué)家們把微觀粒子劃分為兩類：費(fèi)米子和玻色子。費(fèi)米子服從費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)，玻色子則服從玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)。對于費(fèi)米子來說，兩個(gè)粒子不能同時(shí)占據(jù)在同一狀態(tài)，這就是有名的“泡利不相容”原理；對于玻色子來說，則可以允許兩個(gè)甚至更多個(gè)粒子處于同一狀態(tài)。但是人們并不能分清楚到底是哪個(gè)微觀粒子坐在這個(gè)位置上。這個(gè)就是一般統(tǒng)計(jì)物理里面說的“全同的量子粒子不可分辨”。
1924年，印度物理學(xué)家玻色最先提出了一種對光子的統(tǒng)計(jì)方法。1925年，愛因斯坦將玻色的理論推廣到有質(zhì)量的原子體系中，預(yù)言了一種新的物質(zhì)狀態(tài)的存在。根據(jù)預(yù)言，在極低的溫度下，由服從玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)的原子構(gòu)成的氣體可能會發(fā)生神奇的轉(zhuǎn)變，處于最低的能量狀態(tài)上的原子數(shù)目會隨著溫度的降低逐漸增大，直到幾乎所有的原子都處于這一個(gè)能量狀態(tài)上，而整體呈現(xiàn)出一個(gè)量子狀態(tài)。這種狀態(tài)后來被稱為“玻色-愛因斯坦凝聚”，是很多實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家致力實(shí)現(xiàn)的預(yù)言。
實(shí)現(xiàn)原子系統(tǒng)的玻色愛因斯坦凝聚的關(guān)鍵技術(shù)是激光冷卻，它是二十世紀(jì)八十年代中期后發(fā)展起來的。大家都知道，溫度是與微觀粒子的無規(guī)熱運(yùn)動(dòng)速度成正相關(guān)，而激光冷卻原子，就是通過降低原子的運(yùn)動(dòng)速度，來實(shí)現(xiàn)冷卻。
我們將激光的波長選擇在原子譜線波長略微比中心位置長一些的一側(cè)，那么由于多普勒效應(yīng)，向著激光運(yùn)動(dòng)的原子感受到的波長會顯得短一些，因此作用強(qiáng)烈；而背離激光運(yùn)動(dòng)的原子感受到的波長會更長一些，因此作用很弱。這樣，如果在前后左右上下六個(gè)方向都有一束激光的話，就可以把原子的速度降低下來。通過這種方法，可以將原子氣體的溫度降低到絕對零度之上大約千分之一攝氏度。
然而，要實(shí)現(xiàn)玻色愛因斯坦凝聚，這還不夠。還需要進(jìn)一步蒸發(fā)冷卻。
蒸發(fā)冷卻的原理大家都很熟悉：一杯開水放在桌子上，水里面速度較快的水分子會沖出水面，散發(fā)到空氣中去，從而帶走了較多的能量，剩下的水分子平均能量因此降低。同樣，原子本身具有磁性，可以利用磁場來束縛原子，通過各種手段可以讓束縛在勢阱里面的帶有較高能量的原子跑掉，得到更冷的原子氣體。
利用這兩種制冷方法，Cornell和Wieman在1995年6月成功地將含有大約2000個(gè)銣原子的氣體冷卻到低于170nK的溫度（僅比絕對零度高了百萬分之零點(diǎn)一七度），這時(shí)，大量的原子聚集到了最低的能量狀態(tài)，形成了玻色愛因斯坦凝聚。四個(gè)月之后，麻省理工學(xué)院的Ketterle教授等人成功地用鈉原子實(shí)現(xiàn)了玻色愛因斯坦凝聚。而這三位科學(xué)家也因此分享了2001年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
玻色愛因斯坦凝聚從理論提出到最終的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)歷了將近一百年的時(shí)間，經(jīng)過許多物理學(xué)家孜孜不倦的努力才得以實(shí)現(xiàn)。這個(gè)領(lǐng)域今天仍是現(xiàn)代物理里面光學(xué)、凝聚態(tài)等方向的尖端前沿?？茖W(xué)發(fā)現(xiàn)如此不易，卻激動(dòng)人心，而且是那樣的美妙。
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