互动科普

波色-爱因斯坦凝聚是现今实验物理学最热门的领域之一

 我想象你忽然被某种魔法变到只有一个大分子一般大小，因而能够观看到一种气体原子的运动。这些原子看起来像是一个个碰不破的玻璃弹子球，在你面前几乎一无所有的空间中横冲直撞，永不停休地彼此撞上后又反弹开。你可能向你自己点头示意，瞧，这不正是我们在高中或者大学课程中见到的“理想气体”吗？

 现在你注意到这些弹子球的飞舞并没有你刚跨出的微型化身制造机时那么猛烈了。哦，原来是某种过程正在使得气体冷却下来。最初弹子球只是放慢了速度，而且彼此相隔不那么遥远了。随着气体的冷却下来，它的密度逐渐变大。但是随后发生的事情却出乎意料——你会发现弹子球本身也在变化。速度放慢的那些弹子球的尺寸增大了数千倍，而它们先前如镜子般清晰的表面已经变得模糊不清了。这些越来越像幽灵的原子彼此对穿而过，有时不发生偏转，有时候则好像是里面的什么硬东西发生了碰撞了一样而弹跳回来。

 在这个区域的中心附近，两个运动得最慢、也是最模糊的原子重迭起来，似乎就合成了单个较大的球体。这个呈椭球状的球体吸收其他的原子，有时一个一个地吸收，有时两个两个地吸收。有时成打地吸收。在快得令人瞠目结舌的一瞬间，就只剩下了这个静止不动的庞然大物。所有的这些原子到底发生了什么事？这个神秘莫测的东西又是什么呢？

 这个东西就是一种被称为“波色-爱因斯坦凝聚体”（BEC）的量子力学实体。它是宇宙中最冷的气体的形成。而且，尽管这些原子仍将存在于凝聚体内并构成它，但它们已经失去了自己的个性。

量子力学支配着这个世界。大多数时间中，量子力学的奇异性隐藏在经典物理学的外表下面。我们把这个外表错误地当作现实世界的本质，并据此而得到我们的物质性质的许多普通认识。例如，我们认为物体有确定的位置运动及本性，它们的行为严格地受确定性法则的支配。

 量子力学的核心推翻了我们这些通常的直观认识粒子的位置和运动实质上并不是确定无疑的东西，而是受几率的支配，一般认为客观物体应该具有明确的身份，但对于量子粒子来说甚至连“客体”这一概念都被根本改造过了。波色-爱因斯坦凝聚体是一类特殊的物质集合、它的行为方式属于迄今已知的最纯粹的量子力学方式之列。

 此外，这种凝聚体是相当大的，比最大的普通原子大1O万倍，甚至比人的细胞还大。因此，物理学家们能够以通常难以想象的方式观察凝聚体的量子行为。正如马里兰州盖瑟斯堡国家标准与技术研究所(NIST)的Steven L Rolston指出的那样，“我们展示的波色-爱因斯坦凝聚体的情景是一幅货真价实的量子力学波函数的图景。我们可以亲眼目睹量子力学如何在起作用。”

 1995年，研究人员首次在实验室中创造出了气态的波色-爱因斯坦凝聚体、这已经是阿尔伯特·爱因斯坦根据印度物理学家SN玻色的研究成果预言存在这一现象之后整整70年了[参看本刊1998年第6期Eric A Comell和Carl E Wieman所著《玻色一爱因斯坦凝聚体》一文]实验人员是在原子捕集器中创造出这些凝聚体的。原子捕集器由激光束和磁场构成，它能在一个真空室内捕集，保存并冷却于极其稀薄的原子云。麻省理工学院声誉卓著的原子物理学家Daniel Kleppne认为，创造出这些凝聚体是“激光器发明以来原子物理学最激动人心的一项进展”。

 5年来，世界各地的研究小组(有的是以诺贝尔奖金获得者或未来的诺尔奖金获得者为首)一直在狂热地探索这项突破性进展所打开的一片奇异的广阔天地。研究人员用激光束去撩拨凝聚体，轻轻摇晃保持凝聚体的捕集器，观察处于凝聚态的气体如何以预期的量子方式反弹、散射和振动。

 波色-爱因斯坦凝聚体不仅是量子系统的典范实例，而且也体现了若干广阔的物理学领域的奇妙融合，其中包括原子物理学(单个原子)、量子光学(激光束及其相互作用)和多体物理学(构成固体液体和气体的物质集合，包括金属和半导体中的电子流动这一在技术上至关重要的领域)。对凝聚体的研究不单是依赖所有这些领域的交叉结合，而且它也为加深我们对支配这些领域的基本法则的认识作出了直接贡献。

 物理学家们对波色-爱因斯坦凝聚体取得的试验成就丰富多彩、引人入胜，本文仅能列举其中几项成就。这些实验成果凸显了波色-爱因斯坦凝聚体向实验人员展现的它的多种角色中的一部分，包括超流体(类似于液氨)、可严密控制的原子气体以及某种由物质而不是光构成的激光束等。

 凝聚体、超流体与涡流

 当液氯被冷却到22开氏度以下时，就会出现一系列奇怪的现象。前苏联物理学家 Pyotr Kapitza和加拿大物理学家John F．Allen在1938年发现，温度降到2.2开氏度以下时，氦就变成了一种超流体，能够表演一些不可思议的把戏，例如顺着开口的容器壁向上爬然后流出容器。这些效应是氦中的玻色-爱因斯坦凝聚产生的。

 实验人员一直希望看看气态凝聚体是否也能够展示超流体但这并非一件轻而易举的事。我们可以生产数量足够多的超流体氦，这样即使只用肉眼也可以欣赏它玩各种把戏了然而，新的玻色爱因斯坦凝聚体却只是少得可怜的一点点气体，其稀薄的程度几乎等于是真空，只能靠磁场维持最多区区几分钟的时间。这样，一种近于虚无飘渺的气态物如果是多流体的话，那将意味着什么呢?

 一种值得注意的超流体效应是旋转的超流体中能够产生涡流。如果你把一桶通常的液氨放在转盘上．让桶转起来，那么氨将跟着桶一起转动，跟普通的水没有两样。但是，如果桶里装的是超流体氦．它就会形成许多被称为“涡流”的量子旋涡。超流体氦允许的最简单的转动是单个旋涡，它在氦的中央转动得较快，而在边缘则转动较慢。如果你想让超流体氦转得更慢-些，它就将完全静止不动。

 之所以会出现这些效应，是因为凝聚体中的原子处于相同的量子状态，因此所有原子必定具有相同的角动量。但是角动量只能以离散单位(即量子)存在。处于静止状态时，所有原子的角动量均为零，而在涡流中它们各有一个单位的角动量。

 1999年，科罗拉多州博尔德JILA(前实验室天体物理联合研究所)的一个研究小组在Carl E．Wieman和Eric A．Cornell的领导下，采用其同事James E Williams和Murray J．Holland提出的-种方法在玻色－爱因斯坦凝聚体中产生了涡流。此方法的第一步是准备一种“二重凝聚体”，即把由同一种元素(铷)构成，但处于略微不同的量子状态中的两个凝聚体重迭在一起。双重凝聚体是该研究小组开创的一种用途非常广泛的凝聚系统。

 然后研究人员用微波和激光束照射这个二重凝聚体。其作用就是让一个凝聚体获得涡流形成所需的精确的圆量子相。这一过程在任何人(量子物理学家除外)看来都不象是在移动原子，但它却产生了旋转的涡流态。研究人员考察了两个凝聚体如何相互干扰，从而得以验证涡流的量子相性质。对超流体氦的研究虽然已进行了60余年之久，但却从未得到这样直接的结果。

 l999年晚些时候，法国巴黎高等师范学校以Jean Dalibard为首的一个研究小组成功地模拟了通过“旋转桶”来产生涡流的过程，而此前的实验均未能获得这样的成果。为了产生转动，Dalibard小组让一个激光束绕着原子捕集器的边缘移动，使它的形状产生出类似旋转变形的外观。这些研究人员已经获得了多达11个涡流的凝聚体涡流群的图像。在2OOO年9月发表的一篇论文中．他们报导了对凝聚体角动量的测量结果：不出理论所料，在第一个涡流出现前角动量始终为零，而在第一个涡流出现后角动量马上跃升为一个整单位。

 涡流的量子动力学除了在基础物理学中具有重要意义以外，对于高温超导技术也有很大的重要性：磁场正是通过在高温超导体中产生许多涡旋电流而穿过超导体的。这类磁通涡流的运动能够使功率耗散，妨碍了人们期望的超导体“零电阻”性质的实现。对波色-爱因斯坦凝聚体的研究可能有助于解决这个问题。

 任人摆弄的原子相互作用

超流体氦中的涡流，且其核心的直径仅为十分之一纳米，因此研究人员几乎不可能对它们进行详细的考察。上述科罗拉多和巴黎研究小组产生的涡流则比液氦的涡流大5000倍，这是因为，与液氦相比，气态凝聚体的密度极低，其原子间的相互作用非常微弱。

 实际上研究人员对于液氦的密度和相互作用是完全无法摆布的，但气态波色-爱因斯坦凝聚体的密度则可以通过收紧或放松保持凝聚气体的磁捕集器而加以调节。此外、物理学家们还掌握了一项非凡的本领－只要转动一下刻度盘、就可以改变气态波色-爱因斯坦凝聚体中的相互作用。这样一种能力是实验人员梦寐以求的目标。想想看，如果我们能够随意削弱或加强原子间的键、那么化学研究该是一种什么样的前景!

 气态凝聚体中的原子彼此间存在轻微的相互排斥或吸引作用。究竟是何种作用与气体的种类有关，例如，钠.铷87和氢原子就排斥同类原子，而锂7和铷85的原子则相互吸收。这类排斥或吸收力显然非常微弱、却可以改变凝聚体的诸多性质、例如其内能、大小、振荡模式和形成速率等。最重要的是，斥力使凝聚体保持稳定、而吸引力却起着破坏稳定的作用。因此，使用排斥性的铷87原子和钠原子，通常可以一次性同时凝聚数以百万计的原子，而且这种凝聚体可以比不存在斥力时大20倍。相反，吸引力使莱斯大学Randall G.Hulet的小组所作出的锂7凝聚体至多只包含大约1500个原子，超过这一大小，凝聚体就会收缩、变得过于密集，导致原子间发生频繁碰撞，使原子溢出捕集器外。通过复杂的理论模拟，现在人们对这些结果已经有了充分的认识。但是，甚至到九十年代初期这样近的时候、物理学家们都还在怀疑吸引性的原子能否形成凝聚体。

 原子间的相互作用可以通过所谓Feshbach共振加以改变、这种共振是以麻省理工学院的核理论家Herman Feshbach的名字命名的、他曾在六十年代研究过碰撞原子核中存在的一种类似现象。在气体中、强磁场使原子畸变;当磁场强度取某些值时、会使两个碰撞的原子发生共振。而在凝聚体中、由于各原子的量子波是重叠的、因此它们始终受到这些共振作用的影响。共振改变了原子间的力、在磁场强度接近共振强度时，它的影响将达到最大。

 一个棘手的问题是强磁场可能破坏原子的磁捕集。麻省理工学院的Wolfgang Ketterle小组在1998年解决了这个问题：他们把钠凝聚体从磁捕集器转移到激光捕集器中。但是，尽管这个研究小组得以观察到Feshbach共振的作用，对它进行较长时间的研究都是不可能的。大大出乎这些研究人员意料的是，当他们把磁场调节到共振强度附近时，钠凝聚体便在几微秒内瓦解了。

 今年早些时候，Comell和Wieman利用铷85和常规的磁捕集器做出了具有可调节相互作用的长寿命凝聚体。通常，铷原子的相互吸引的作用使它的凝聚体最多只能有区区80个原子。但是，科罗拉多大学的研究小组利用Feshbach共振把这些力转变成排斥力．从而得到了包含多达1万个铷原子的凝聚体，其寿命长达10秒。

 当这个研究小组逐步降低人造斥力时，出现了最壮观的效果。正如理论所料，此时巨大的凝聚体开始逐渐缩小，变得越来越密集。最终，相互作用又重新转变成吸收作用后仅5毫秒，凝聚体就爆炸了。Wieman突发奇想把这一现象称作“玻色新星”，也就是很不严格地把它类比为导致恒星爆炸的内爆。凝聚体的爆炸把大约二分之一的凝聚原子完全炸出了捕集器，剩下一个凝聚体残骸，周围则被一层热原子围绕着(如果千万分之一开氏度的温度可以号称“热”的话)。

 原子激光器

 可调节相互作用的一项潜在用途是对凝聚体发射出的原子束进行精密控制。这样的原子束称为原子激光。在科学研究和工业上，原子束已经获得了广泛的应用，包括原子钟、基本常数的精密测量以及计算机芯片的生产等。但所有这些原子束都缺乏原子激光所具有的亮度与“相干性”，正如通常的光缺乏激光束的亮度和相干性(因而也没有激光那样广泛的用途)一样。(相干性指的是原子束或光束中的所有原子或光子的运动呈现某种形式的量子同步，而与原子或光子相关联的波也对齐)。

 激光器用了数十年时间从60年代问世的一种神秘的实验装置发展成几乎无处不在的家用电器元件。某研究人员认为，未来数十年里，原子激光器的发展前景可能也同样富有成效。我们现在无法想象它会怎样发展，正如在60年代无法想象激光器今天的用途一样。当然，前进的道路上还有许许多多的拦路虎挡着，其中一个并非小问题的障碍是需要让原子穿过真空而不是空气。

 最早的原子激光器产生脉冲和原子束的方式与光学激光器完全不同(因此有人认为原子“激光”是一个不当的用语)。实际上，任何一团或一束处于玻色-爱因斯坦凝聚态的原子。只要它们是相干的且在自由运动都是原子激光：玻色-爱因斯坦凝聚体的原子被它们自己的微小磁偶极子(即自旋)束缚在磁捕集器内适当调谐射频波，可以使原子的自旋翻转，从而使它们不受捕集磁场的作用。1997年，Ketterly的研究小组利用这一效应创造了第一束原子激光。他们用射频波脉冲连续照射一团钠凝聚体。自旋被翻转了的原子从磁捕集器中掉落出来，成为在重力作用下运动的新月状凝聚体脉冲！

 1998年后期、慕尼黑大学的Theodore Hansch小组演示了一个类似的系统，它能发射连续的铷原子束。幕尼黑小组估计，它的原子束比用其它方法产生的类似(非激光)原子束要亮一百万倍。大约就在同时，国家标准与技术研究所的William D、Phillips、Steven Rolston及其同事们终于制造出了一台可以朝其它方向(而不是只能竖直向下)发射原子束的原子激光器。光学激光脉冲把原子从凝聚体中打出来、使其穿过捕集器边缘(这个地方称为死亡带(Circle of death)上的一个旋转的孔。一串与死亡带精确同步的激光脉冲产生了高度准直的连续原子束。在一份报导中，该原子束被描述为“具有不亚于激光的精确度的原子射线枪”这听起来象是夸张的说法，但在技术上却是千真万确的。

 激光的缩写词“LASER”中、“a”这个字母代表”amplification”,即” 放大”。但是到现在为止介绍的各种原子激光器中、唯一值得一提的放大过程发生在最初产生玻色一爱因斯坦凝聚体这一阶段上，此时波色凝聚作用使处于单一量子态的原子群体“放大”。原子激光束的放大(又称为物质波放大)直到1999年后期才得以实现。麻省理工学院以Ketterle 和Pritchard为首的一个研究小组以及东京大学的Takahiro Kuga及其同事们分别取得了这一成就。

 物质波放大并不意味着通过放大器从能量中产生出物质来。物质波放大的过程是，首先在玻色-爱因斯坦凝聚体中产生出一个较小的原子激光脉冲。然后，随着其它的凝聚态原子由于其玻色性质而不断加入，这个脉冲就被放大了。同时发生的来自泵激光束的光的散射作用确保动量和能量得以守恒。

 1999年早些时候，麻省理工学院的研究小组用一束偏振激光照射他们制造出的一个雪茄烟状凝聚体，结果意外地发现成团的原子以45度角射出，而光束则从"雪茄烟"的每一端射出。这迫使他们意识到很可能通过上述过程放大物质波。这一过程是名为“超辐射”的一种散射形式，它涉及基本的放大作用。

 在这样一类过程中，凝聚体显示出它们具有与光极其相似的性质，这一性质与凝聚体作为超流体时所显示的液体性质形成鲜明的对比。过去10年里，光学领域一个极为活跃的研究课题是非线性光学，它涉及光与自身的相互作用。在数据传输速率最高的光纤之类的场合中，非线性放应的重要性与日俱增。

 通常情况下光几乎不与自身相互作用：为了产生非线性效应，光的强度必须很高，或者使用专门的介质。凝聚体中的原子之间微弱的相互作用自动地产生非线性效应，因此凝聚体是研究这类过程的理想工具。简单的经典观念把原子看作是象微小的弹子球一样直互碰撞的微粒，这样的理论完全无法解释上述实验的观察结果。

 人造黑洞?

 非结性光学创造的奇观之一就是把光的速度降低到令人目瞪口呆的程度。在真空中，电磁波(包括无线电波、X射线和光波等)的运动速度代表了最终的速度极限，即每秒30万公里(186000英里)。光在介质中的速度要慢一些，例如，水中的光速为其极限速度的四分之三，而在普通玻璃中光速为其极限速度的三分之二。1999年，马萨诸塞州坎布里奇Rowland技术，应当能建立黑洞的声模型，也就是用声波代替光波的人造黑洞。他们计算表明，这样的黑洞爆炸时将产生强烈的声子脉冲(声子是声波的量子)。这类爆炸可能相当于微观引力黑洞通过Hawking辐射的蒸发，而Hawking辐射则是理论预言的一种因量子效应而出现的热的粒子混合物。

 在2000年8月的一篇论文中，普林斯顿大学的Wayne Hu及其合作者猜测，构成宇宙质量的90％的看不见的“暗物质”可能以玻色-爱因斯坦凝聚体的形式存在，而这些凝聚体的成分是充满空间的质量极低的粒子。他们提出，这种凝聚体形式的暗物质或许能解决困扰着在其它方面非常成功的“冷暗物质”宇宙学理论的若干问题。如果这一引人注目的假说能够成立，那么宇宙中最冷的气体可能也将成为宇宙中最丰富的气体。