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玻色-爱因斯坦凝聚
2009/04/19

    瑞典皇家科学院10月9日宣布,将2001年诺贝尔物理学奖授予美国科学家埃里克•康奈尔、卡尔•维曼和德国科学家沃尔夫冈•克特勒,以表彰他们根据玻色-爱因斯坦理论发现了一种新的物质状态——“碱金属原子稀薄气体的玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)”。
    上世纪初,在黑体辐射和光电效应的研究中诞生了量子概念,光的量子被称为光子。1924年印度物理学家玻色提出黑体辐射是光子理想气体的观点,他研究了“光子在各能级上的分布”问题,以不同于普朗克的方式推导出普朗克黑体辐射公式。他将这一结果寄给爱因斯坦。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。他于1924和1925年发表两篇文章,将玻色对光子的统计方法推广到某类原子,并预言当这类原子的温度足够低时,所有的原子就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。在很长一段时间里,没有任何物理系统被认为与玻色-爱因斯坦凝聚现象有关。1938年,伦敦提出低温下液氦的超流现象可能是氦原子玻色凝聚的体现,玻色-爱因斯坦凝聚才真正引起物理学界的重视。
    除了用于解释超流和超导外,玻色-爱因斯坦凝聚这一概念已经扩展到物理学的很多领域,如半导体物理学、天体物理学以及基本粒子物理学等。虽然超流和超导等都显示了玻色-爱因斯坦凝聚现象的存在,但这些系统都很复杂,凝聚现象只部分地发生在这些系统中,系统中的强相互作用也使得玻色-爱因斯坦凝聚现象表现得不那么明显。在上个世纪五十年代,物理学家发展了很多弱相互作用玻色系统的理论,华人物理学家杨振宁、李政道和黄克逊在这方面做了很出色的工作。然而这些理论在1995年之前都没有得到很好的验证。由于气体中原子之间的相互作用很弱,更接近于爱因斯坦提出这一概念的系统,同时也使得理论与实验的比较变得容易。在气体中实现玻色-爱因斯坦凝聚成为物理学家长期的梦想。
    1995年6月,维曼和康奈尔的研究组在铷(87Rb)原子蒸气中第一次直接观测到玻色-爱因斯坦凝聚。几个月后,麻省理工学院的沃尔夫冈•克特勒研究组在钠(23Na)原子蒸气中实现了玻色-爱因斯坦凝聚。此后,这个领域经历了爆发性的发展。目前世界上已有近30个研究组在稀薄原子气中实现了玻色-爱因斯坦凝聚。
    玻色-爱因斯坦凝聚体所具有的奇特性质,使它不仅对基础研究有重要意义,而且在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都让人看到了非常美好的应用前景。凝聚体中的原子几乎不动,可以用来设计精确度更高的原子钟,以应用于太空航行和精确定位等。凝聚体具有很好相干性,可以用于研制高精度的原子干涉仪,测量各种势场,测量重力场加速度和加速度的变化等。原子激光也可能用于集成电路的制造,大大提高集成电路的密度,因此将大大提高电脑芯片的运算速度。凝聚体还被建议用于量子信息的处理,为量子计算机的研究提供另外一种选择。随着对玻色-爱因斯坦凝聚研究的深入,谁敢说它不会像激光的发现那样给人类带来另外一次技术革命?
    


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