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(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)。對(duì)于費(fèi)米子來(lái)說(shuō)，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(duì)于玻色子來(lái)說(shuō)，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(shuō)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(duì)光子的統(tǒng)計(jì)方法。1925年，愛(ài)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(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)的原子構(gòu)成的氣體可能會(huì)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(huì)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(lái)被稱為“玻色-愛(ài)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(ài)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(lái)的。大家都知道，溫度是與微觀粒子的無(wú)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(guò)降低原子的運(yùn)動(dòng)速度，來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻。
我們將激光的波長(zhǎng)選擇在原子譜線波長(zhǎng)略微比中心位置長(zhǎng)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(zhǎng)會(huì)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(zhǎng)會(huì)更長(zhǎng)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(lái)。通過(guò)這種方法，可以將原子氣體的溫度降低到絕對(duì)零度之上大約千分之一攝氏度。
然而，要實(shí)現(xiàn)玻色愛(ài)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(kāi)水放在桌子上，水里面速度較快的水分子會(huì)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(chǎng)來(lái)束縛原子，通過(guò)各種手段可以讓束縛在勢(shì)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(duì)零度高了百萬(wàn)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(ài)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(ài)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(ài)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(guò)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。
轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
