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第13章 2001年诺贝尔物理学奖——玻色爱因斯坦冷凝态的研究

2001年诺贝尔物理奖的得主是美国科学家艾里克·科纳尔、德国科学家沃尔夫冈·凯特纳以及美国科学家卡尔·威依迈三人将共同平分1000万瑞典克郎的奖金。

这三位科学家的简单生平简历如下:艾里克·科纳尔1961年出生于美国加州,1990年获得麻省理工学院博士学位,美国国家标准与技术机构的高级科学家。沃尔夫冈·凯特纳1957年出生于德国海德堡,1986年在德国获博士学位,美国麻省理工学院的物理教授。卡尔·威依迈1951年出生于美国俄勒冈州,1977年在斯坦福大学获博士学位,为科罗拉多州立大学的物理教授。

三位科学家获得2001年诺贝尔物理奖的理由是取得了在淡气中实现碱性原子的玻色-爱因斯坦冷凝,揭示了一种新的物质状态:玻色-爱因斯坦冷凝物。人们都知道激光与普通灯光不同,在激光中所有光粒都具有相同的能量与振荡,因此如何控制其他光束达到同样的状态一直就是对物理科学家的一种挑战。

2001年诺贝尔物理学奖得主成功地解决了这一问题,他们使得原子能够“合谐地歌唱”,这样就发现了一种新的物质状态:玻色-爱因斯坦冷凝。1924年印度物理学家博斯提出了一个关于光粒计算的重要理论,并将结果发给了爱因斯坦,爱因斯坦将这一理论扩展扩展到了特定类型的原子。爱因斯坦预计,如果这种类型的原子气体被降低到极低的温度,那么所有的原子就会突然聚集在一种尽可能低的能量状态。这种过程与从气体中滴下一滴液体相似,因此称为博斯-爱因斯坦冷凝,上述三位物理学家的成就在于成功证实了这一理论。

诺贝尔物理奖项,是针对物质在某个极端状态——玻色-爱因斯坦凝聚态——的研究。得奖的是三位该领域的物理学家:科罗拉多大学参与JILA研究计划的柯奈尔和维曼,以及麻省理工学院的科特勒。他们的贡献在于“碱金属在玻色-爱因斯坦凝聚态中的成就,并奠定早期凝态物质研究的基础”。

什么是玻色-爱因斯坦凝聚态?在常温下,原子会像撞球一般互相碰撞,这用古典力学的概念就能解释;而当温度降低,原子碰撞的速度跟着减缓,量子力学对它们的控制就渐为明显。最主要的就是原子的自旋运动,该运动可以由自旋量子数——整数或是整数的一半来描述。粒子的自旋数若是整数,它就称为玻子(boson),若是整数的一半,我们就称为费密子。玻子有极强的“社会性”行为,在低温下会聚在一起,并且维持在同一种量子状态下,此时他们整体的能量是最低的。但费密子彼此之间则会躲得远远的;它们无法同时处在同一种量子状态下,因此整体能量状态也较高。元素在周期表的排列方式,就与电子在原子中的状态有关。

早在1924年印度的物理学家玻色(S.N.Bose),就已完成上述粒子的统计结果,后来就用玻色来为该种粒子命名,称为玻子。继普朗克(Planck)的辐射定律之后,玻色也提出另一个辐射定律,并将之寄给爱因斯坦。爱因斯坦了解这个理论的重要性,便将它翻译成德文,然后发表,并迅速地扩展这个理论,紧接着发表了两篇文章。文中预测,当特定数量的粒子之间靠得够近、又移动得够慢,它们就会一同转换到最低能态。这个能态我们现在就称为“玻色―爱因斯坦凝聚态”。

此后,物理学家便希望能够将上述的理论实现出来。他们预期物质处在这种新的基本状态,会发生许多有趣又有用的特性。事实上,在比较复杂的系统中,玻色―爱因斯坦凝聚态较早发现:超导体和超液体中凝聚态的电子对;但要在纯粹的状态下观察该现象,则一直要到70年后。柯奈尔、维曼和科特勒从1995年开始进行BEC的研究,他们各运用了十分先进的科技,成功地让纯粹、密度稀薄的碱金属原子气体,表现出BEC。

要让物质达到BEC,物理学家必须先克服雷射冷却和蒸气冷却的应用问题。1995年6月,由Wieman所领导的JILA团队,首次成功地让87铷降至凝聚的临界点之后,便雇用了Cornall来继续进行该项计划。他们为了让蒸汽冷却更有效地进行,将温度再降低至2×10-8K,以达到纯粹的凝聚状态。

Ketterle则是在JILA的研究团队之外,独立进行研究,他运用的原子是23Na。1990年他加入MIT的研究团队,并在1993年担任BEC计划的主要负责人。他仅仅在JILA发表其成果的四个月后,便发表了他的研究成果,其纪录与JILA差不多,不过达到凝聚态的原子数量却多出数百倍。

至此,BEC领域的发展便有了大大的突破,目前已经有超过20个研究团队。而即便BEC的研究计划蜂拥而至,Cornall、Wieman和Ketterle的研究团队还是保持领先地位,并且发表了许多有趣而新颖的成果。例如,JILA团队所研究的,是这些凝聚物的整体激发状态和其涡流结构。而Ketterle的团队发展出一套观测凝聚态物的改良方法,使量测工作不致影响原子的状态,以重复进行量测。此外,他们还发现,原子的激光束可以像雷射光一般地被增强、放大。

现在,BEC的研究活动已十分活跃,实验和理论的研究方向都已建立。也因为这些物理学家的贡献,要观测基本物质的精确状态是可能的,我们将可以看到静态原子的剧烈共振,或是激烈的物质边缘扰动现象。未来,BEC的技术可以在印刷术、奈米科技和雷射摄影上,衍伸出许多革命性的应用。他们这些实践玻色和爱因斯坦理论的物理学家,功不可没。

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