愛(ài)凝聚態(tài) 如果物質(zhì)不斷冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷下去,比如說(shuō),接近絕對(duì)零度(-273.16℃)吧,在這樣的極低溫下,物質(zhì)又會(huì)出現(xiàn)什么奇異的狀態(tài)呢?
這時(shí),奇跡出現(xiàn)了——所有的原子似乎都變成了同一個(gè)原子,再也分不出你我他了!這就是物質(zhì)第五態(tài)——玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)(以下簡(jiǎn)稱“玻愛(ài)凝聚態(tài)”).
這個(gè)新的第五態(tài)的發(fā)現(xiàn)還得從1924年說(shuō)起,那一年,年輕的印度物理學(xué)家玻色寄給愛(ài)因斯坦一篇論文,提出了一種關(guān)于原子的新的理論,在傳統(tǒng)理論中,人們假定一個(gè)體系中所有的原子(或分子)都是可以辨別的,我們可以給一個(gè)原子取名張三,另一個(gè)取名李四……,并且不會(huì)將張三認(rèn)成李四,也不會(huì)將李四認(rèn)成張三.然而玻色卻挑戰(zhàn)了上面的假定,認(rèn)為在原子尺度上我們根本不可能區(qū)分兩個(gè)同類原子(如兩個(gè)氧原子)有什么不同.
玻色的論文引起了愛(ài)因斯坦的高度重視,他將玻色的理論用于原子氣體中,進(jìn)而推測(cè),在正常溫度下,原子可以處于任何一個(gè)能級(jí)(能級(jí)是指原子的能量像臺(tái)階一樣從低到高排列),但在非常低的溫度下,大部分原子會(huì)突然跌落到最低的能級(jí)上,就好像一座突然坍塌的大樓一樣.處于這種狀態(tài)的大量原子的行為像一個(gè)大超級(jí)原子.打個(gè)比方,練兵場(chǎng)上散亂的士兵突然接到指揮官的命令“向前齊步走”,于是他們迅速集合起來(lái),像一個(gè)士兵一樣整齊地向前走去.后來(lái)物理界將物質(zhì)的這一狀態(tài)稱為玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)(BEC),它表示原來(lái)不同狀態(tài)的原子突然“凝聚”到同一狀態(tài).這就是嶄新的玻愛(ài)凝聚態(tài).
然而,實(shí)現(xiàn)玻愛(ài)凝聚態(tài)的條件極為苛刻和矛盾：一方面需要達(dá)到極低的溫度,另一方面還需要原子體系處于氣態(tài).極低溫下的物質(zhì)如何能保持氣態(tài)呢?這實(shí)在令無(wú)數(shù)科學(xué)家頭疼不已.
后來(lái)物理學(xué)家使用稀薄的金屬原子氣體,金屬原子氣體有一個(gè)很好的特性：不會(huì)因制冷出現(xiàn)液態(tài),更不會(huì)高度聚集形成常規(guī)的固體.實(shí)驗(yàn)對(duì)象找到了,下一步就是創(chuàng)造出可以冷卻到足夠低溫度的條件.由于激光冷卻技術(shù)的發(fā)展,人們可以制造出與絕對(duì)零度僅僅相差十億分之一度的低溫.并且利用電磁操縱的磁阱技術(shù)可以對(duì)任意金屬物體實(shí)行無(wú)觸移動(dòng).這樣的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn),終于在玻色—愛(ài)因斯坦凝聚理論提出71年之后的1995年6月,兩名美國(guó)科學(xué)家康奈爾、維曼以及德國(guó)科學(xué)家克特勒分別在銣原子蒸氣中第一次直接觀測(cè)到了玻愛(ài)凝聚態(tài).這三位科學(xué)家也因此而榮膺2001年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).此后,這個(gè)領(lǐng)域經(jīng)歷著爆發(fā)性的發(fā)展,目前世界上己有近30個(gè)研究組在稀薄原子氣中實(shí)現(xiàn)了玻愛(ài)凝聚態(tài).
玻愛(ài)凝聚態(tài)有很多奇特的性質(zhì),請(qǐng)看以下幾個(gè)方面：
這些原子組成的集體步調(diào)非常一致,因此內(nèi)部沒(méi)有任何阻力.激光就是光子的玻愛(ài)凝聚,在一束細(xì)小的激光里擁擠著非常多的顏色和方向一致的光子流.超導(dǎo)和超流也都是玻愛(ài)凝聚的結(jié)果.
玻愛(ài)凝聚態(tài)的凝聚效應(yīng)可以形成一束沿一定方向傳播的宏觀電子對(duì)波,這種波帶電,傳播中形成一束宏觀電流而無(wú)需電壓.
原子凝聚體中的原子幾乎不動(dòng),可以用來(lái)設(shè)計(jì)精確度更高的原子鐘,以應(yīng)用于太空航行和精確定位等.
玻愛(ài)凝聚態(tài)的原子物質(zhì)表現(xiàn)出了光子一樣的特性正是利用這種特性,前年哈佛大學(xué)的兩個(gè)研究小組用玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體使光的速度降為零,將光儲(chǔ)存了起來(lái).
玻愛(ài)凝聚態(tài)的研究也可以延伸到其他領(lǐng)域,例如,利用磁場(chǎng)調(diào)控原子之間的相互作用,可以在物質(zhì)第五態(tài)中產(chǎn)生類似于超新星爆發(fā)的現(xiàn)象,甚至還可以用玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體來(lái)模擬黑洞.
隨著對(duì)玻愛(ài)凝聚態(tài)研究的深入,又一次徹底的技術(shù)革命的號(hào)角已經(jīng)吹響.