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听原子同声歌唱

2003-01-10 13:29 作者:鲁伊 2002年第2期
2001年是当之无愧的“BEC(玻色—爱因斯坦凝聚)之年”

本年度诺贝尔物理奖得主卡尔.魏曼和艾里克.康奈尔展示玻色-爱因斯坦凝聚的示意图

2001年10月9日,诺贝尔奖百年华诞庆典之日,在斯德哥尔摩音乐大厅,瑞典皇家科学院成员和诺贝尔物理学奖委员会成员、著名的物理学家祖纳•斯万伯格(Sune Svanberg)教授代表瑞典皇家科学院将诺贝尔物理学奖颁给三位物理学家:埃里克•A•康奈尔(Eric A. Cornell)、沃尔夫冈•凯特勒(Wolfgang Ketterle)和卡尔•E•魏曼(Carl E. Wieman)。在所致的颁奖辞中,他指出,授予这三位科学家这一奖项,是为表彰他们“在碱金属原子气体中实现了玻色-爱因斯坦凝聚,以及此前进行的对该凝聚所具有的特性的基础性研究”。人们由此热烈欢呼“一种新的物质形态的诞生”,到了年底,在《科学》(Science)、《发现》(Discover)等众多杂志的年终回顾中,玻色•爱因斯坦凝聚的实现不仅被认为是本年度最有价值的十大科学进展之一,许多科学家甚至还认为,在物理学里程碑上,2001年是当之无愧的“BEC(玻色-爱因斯坦凝聚)之年”。

那么,玻色-爱因斯坦凝聚到底是怎样的一种物质形态?它的特殊意义又在哪里?

1924年,印度物理学家玻色(Satyendra Nath Bose)提出了有关光粒子统计的一项重要理论,并将这一结果寄给爱因斯坦。爱因斯坦将这一理论扩展到统计某一特定原子的领域中,他预测,如果这类原子气体被冷却到非常低的温度时,所有的原子都将突然以最低能量状态聚集在一起,因此,它被称为“凝聚”(condensation)。这就是玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate,简称BEC)名称的由来。

要设想出玻色-爱因斯坦凝聚的具体状态,首先需要了解一点背景知识。在中学物理课中,我们就学到过爱因斯坦提出的光的波粒二象性,它指的是光即作为光波存在,同时又由光粒子组成。20世纪20年代,诺贝尔物理学奖获得者、著名物理学家德布罗意(Louis de Broglie)提出,微粒子也具有波粒二象性。这两者和“测不准原理”构成了量子力学的基础。理论和定义听上去枯燥而费解,然而当运用一下我们的想象力时,一切却可能变得相当简单。在微粒子的世界中,每个微粒子都如同身处纽约繁华街道上的匆忙行人,以每秒几百米的速度向各方向杂乱无章地运动。当温度降低时,这些粒子的运动会减慢,呈现为频率不一的“波”。粒子越轻、运动越慢,它们的德布罗意波长就越长。在冷气体中,如果粒子彼此之间的距离足够近,它们的波长就会开始交迭,然后,单个的波连成了一个波,所有的粒子都以同一种频率运动。这有点像乐队中的众多乐器,各自奏出不同的音色和音调,但在热身练习之后,它们就都以同一音调演奏。这些谐振粒子当然不是固体,不是液体,但又有别于传统上的气体状态,这是一种全新的物质状态,它就是玻色-爱因斯坦凝聚。

在物理学领域,向来知易行难。在玻色-爱因斯坦凝聚概念提出的近80年中,物理学家为实现它付出了不懈努力,但一直到90年代中后期,实验手段的进步才为它的实现提供了可能性。研究者们首先必须克服的一个困难是避免常规的凝聚出现,就像水蒸气冷却后凝结为水一样。为了实现这一目的,必须使气体非常之冷,从而使粒子移动极为缓慢,德布罗意波长相当长。而且,气体还必须保持稀薄,从而使粒子可以彼此分开。使用激光可以有效地冷却气体,此外,可以设置“磁阱”(Trap),用光和磁的力量将冷原子聚集在一个微小的原子云团中。1990年左右,美国科罗拉多州立大学的物理学教授卡尔•E•魏曼曾提出,在激光冷却之后,应当停止光照并对磁阱中的粒子进行蒸发冷却。在实验中,充满冷原子的磁阱的边缘被降低,运动速度最快的那些粒子逃逸出去,这情景有些像是一杯滚烫的咖啡——热气袅然散去后,留在杯子里的,便是精华的咖啡——在这里,它们就是宝贵的冷原子。

尽管卡尔•E•魏曼的设想使BEC朝向实现迈出了一大步,但直到就职于美国国家标准局(NIST)的埃里克•A•康奈尔加入他的实验小组,成为BEC项目的合作者,实质性的突破才真正到来。埃里克•A•康奈尔用旋转磁阱磁场的方式,解决了一直困扰卡尔•E•魏曼的原子从磁阱中心逸出的问题。1995年6月,他们使用铷(rubidium)原子气体在高于绝对零度0.00000002度的温度下实现了玻色-爱因斯坦凝聚,几千个铷原子在他们的实验室中终于得以“齐声歌唱”。

成功接踵而来。4个月后,1990年才进入麻省理工学院(MIT)独立进行相关研究的德国物理学家沃尔夫冈•凯特勒使用钠(sodium)原子气体也实现了玻色-爱因斯坦凝聚。在他所获得的凝聚物中,包含的钠原子数目是先前魏曼和康奈尔取得的凝聚物中铷原子数目的几百倍。沃尔夫冈•凯特勒的贡献还在于,他通过实验证明了BEC中的所有原子确实拥有同一波长。他的实验方式有些像孩子们的游戏:向平静的水面同时投入两颗石子,产生的波纹会彼此消长。当他将钠原子BEC等分为两部分,并观察二者的相互作用时,结果是同样的。这就证明,这些原子的振幅和频率是一致的。此外,凯特勒还从凝聚物中提取了一束谐振物质,从而获取了第一束原子激光束。

在埃里克•A•康奈尔、沃尔夫冈•凯特勒和卡尔•E•魏曼成功实现玻色-爱因斯坦凝聚之后的几年中,20多个研究小组也都先后成功地生成了玻色-爱因斯坦凝聚,而它的意义并不仅仅在于量子力学上某个假想的证明。正如祖纳•斯万伯格教授在颁奖致辞中所说:“众多令人着迷的(玻色-爱因斯坦凝聚)的应用是可以想见的。使用缓慢原子所进行的精密测量将(为人类)带来巨大的惊喜;我们今天所称的自然恒量可能会成为真正的完全的恒量。玻色-爱因斯坦凝聚所提供的对物质的新的控制方式将会获得广泛的实际应用,如光刻(lithography)技术和纳米技术等。”

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