物理青年波色爱因斯坦凝聚

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波色爱因斯坦凝聚

玻色-爱因斯坦凝聚态
Bose-Einstein condensation (BEC) 玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)是科学巨匠爱因斯坦在80年前预言的一种新物态。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（一般是基态）。即处于不同状态的原子“凝聚”到了同一种状态。中文名
玻色-爱因斯坦凝聚态外文名
Bose-Einstein condensation简称
BEC本质
预言的一种新物态预言者
爱因斯坦比喻
让无数原子“齐声歌唱”

第五态
如果物质不断冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷下去，比如说，接近绝对零度（-273.15℃）吧，在这样的极低温下，物质又会出现什么奇异的状态呢？
这时，奇迹出现了——所有的原子似乎都变成了同一个原子，再也分不出你我他了！这就是物质第五态——玻色-爱因斯坦凝聚态（以下简称“玻爱凝聚态”—— 玻色-爱因斯坦凝聚态）
这个新的第五态的发现还得从1924年说起，那一年，年轻的印度物理学家玻色寄给爱因斯坦一篇论文，提出了一种关于原子的新的理论，在传统理论中，人们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。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。

玻色的论文引起了爱因斯坦的高度重视，他将玻色的理论用于原子气体中，进而推测，在正常温度下，原子可以处于任何一个能级（能级是指原子的能量像台阶一样从低到高排列），但在非常低的温度下，大部分原子会突然跌落到最低的能级上，就好像一座突然坍塌的大楼一样。处于这种状态的大量原子的行为像一个大超级原子。打个比方，练兵场上散乱的士兵突然接到指挥官的命令“向前齐步走”，于是他们迅速集合起来，像一个士兵一样整齐地向前走去。后来物理界将物质的这一状态称为玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC），它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。这就是崭新的玻爱凝聚态。

然而，实现玻爱凝聚态的条件极为苛刻和矛盾：一方面需要达到极低的温度，另一方面还需要原子体系处于气态。极低温下的物质如何能保持气态呢？这实在令无数科学家头疼不已。

后来物理学家使用稀薄的金属原子气体，金属原子气体有一个很好的特性：不会因制冷出现液态，更不会高度聚集形成常规的固体。实验对象找到了，下一步就是创造出可以冷却到足够低温度的条件。由于激光冷却技术的发展，人们可以制造出与绝对零度仅仅相差十亿分之一度的低温。并且利用电磁操纵的磁阱技术可以对任意金属物体实行无触移动。这样的实验系统经过不断改进，终于在玻色—爱因斯坦凝聚理论提出71年之后的1995年6月，两名美国科学家康奈尔、维曼以及德国科学家克特勒分别在铷原子蒸气中第一次直接观测到了玻爱凝聚态。这三位科学家也因此而荣膺2001年度诺贝尔物理学奖。此后，这个领域经历着爆发性的发展，世界上己有近30个研究组在稀薄原子气中实现了玻爱凝聚态。

发现史
概念提出
1924年印度物理学家玻色提出以不可分辨的n个全同粒子的新观念，使得每个光子的能量满足爱因斯坦的光量子假设，也满足波尔兹曼的最大机率分布统计假设，这个光子理想气体的观点可以说是彻底解决了普朗克黑体辐射的半经验公式的问题。可能是当初玻色的论文因没有新结果，遭到退稿的命运。他随后将论文寄给爱因斯坦，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，并于1924和1925年发表两篇文章，将玻色对光子(粒子数不守恒)的统计方法推广到原子(粒子数守恒)，预言当这类原子的温度足够低时，会有相变—新的物质状态产生，所有的原子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。

玻色-爱因斯坦凝聚态
1938年: FritzLondon提出液氦(He4)超流本质上是量子统计现象，也是一种凝聚行为, 并计算出临界温度为3.2K。从此BEC开始受到重视。从那时起,物理学家都希望能在实验上观察到这种物理现象,但由于找不到合适的实验体系和实验技术的限制,玻色-爱因斯坦凝聚的早期实验研究进展缓慢。

凝聚的实现

20世纪90年代以年来,由于大家所熟知的三位物理学家（Chu（朱棣文）, Cohen, Phillips)的杰出工作，激光冷却与囚禁中性原子技术得到了极大发展，为玻色-爱因斯坦凝聚奇迹的实现提供了条件。
1995年实验观察气相原子的玻色-爱因斯坦凝聚的愿望终于实现了!第一批实现BEC的几个研究小组分别来自美国科罗拉多大学实验天体物理联合研究所(JILA) 、美国莱斯大学（Bradley小组）、麻省理工学院(MIT)（Davis等人），他们分别独立宣告在实验上观察玻色-爱因斯坦凝聚现象,在物理界引起了强烈反响,是玻色-爱因斯坦凝聚研究历史上的一个重要里程碑。
此后，有关BEC的研究迅速发展，观察到了一系列新的现象。如BEC中的相干性、约瑟夫森效应、蜗旋、超冷费米原子气体。其中许多是当年爱因斯坦和玻色未曾想象过的，BEC招致了诸多领域现代物理学家的关注。

理论的实现
在理论提出70年之后，2001年的诺贝尔物理学奖获得者就从实验上实现了这一现象。
1995年，麻省理工学院的沃夫冈·凯特利与科罗拉多大学波尔德分校（University of Colorado Boulder）的埃里克·康奈尔和卡尔·威曼使用气态的铷原子在170 nK（1.7乘10的-7次方K）的低温下首次获得了玻色-爱因斯坦凝聚。在这种状态下，几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态，形成一个宏观的量子状态。
实验是利用碱性原子实现的，碱性原子形成的冷凝态，是一种纯粹的玻色爱因斯坦冷凝态，因此可以对玻色爱因斯坦冷凝态现象进行充分的研究。前些年的物理研究也部分的实现了玻色爱因斯坦冷凝态，例如超导中的库泊电子对无电阻现象，超流体中的无摩擦现象，但其系统特别复杂，难以对玻色爱因斯坦冷凝态现象进行充分的研究。
（它们也是获得诺贝尔物理学奖的研究成果，超流体中的无摩擦现象1962年，超导中的库泊电子对无电阻现象1972年。）

凝聚态的意义

形象地说，这就像让无数原子“齐声歌唱”，其行为就好像一个玻色子的放大，可以想象着给我们理解微观世界带来了什么。这一物质形态具有的奇特性质，在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都有美好的应用前景。全世界已经有数十个室验室实现了9种元素的BEC。主要是碱金属，还有氦原子，铬原子和镱原子等。