玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的研究

劉漪榕

（渤海大學(xué)，遼寧 錦州121000）

1 玻色-愛(ài)因斯坦凝聚從何而來(lái)

在自然界中，按統(tǒng)計(jì)性質(zhì)分類，粒子分為玻色（Bose）子以及費(fèi)米（Femi）子。劃分原理為其自旋為整整數(shù)粒子還是半整數(shù)粒子，前者為玻色子，例如光子、費(fèi)米子以及π介子等，服從于玻色-愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)，而后者為費(fèi)米子，例如電子、質(zhì)子、中子等為費(fèi)米子，服從于費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)。與1924年6月24日，作為印度的物理教師-玻色將一份手稿送給愛(ài)因斯坦，試圖通過(guò)假定相空間來(lái)脫離經(jīng)典電動(dòng)學(xué)而對(duì)普朗克定律系數(shù)8м2/c3、假定基本區(qū)域?yàn)閔3，隨后愛(ài)因斯坦將其翻譯為德文并發(fā)表，并將其作為一項(xiàng)重要工作來(lái)研究，愛(ài)因斯坦在1924年與1925年兩年發(fā)表了關(guān)于玻色的兩篇文章，將玻色對(duì)光子的統(tǒng)計(jì)方法推廣到某類原子，在文章中，他對(duì)這類原子在足夠低的溫度下有一定可能性聚集并存在于一種極低的能量狀態(tài)下，也就是本文研究的標(biāo)題玻色-愛(ài)因斯坦凝聚。在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有任何一種物理系統(tǒng)認(rèn)為與其現(xiàn)象有關(guān)，直至1938年F.Lmndon指出，超流現(xiàn)象與超導(dǎo)現(xiàn)象可能與玻色-愛(ài)因斯坦凝聚有關(guān)聯(lián)，這一猜想引發(fā)了物理學(xué)術(shù)界的思考，從此物理學(xué)術(shù)界開始對(duì)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚重視起來(lái)，并加以研究，但是經(jīng)發(fā)現(xiàn)，超流與超導(dǎo)均是在特殊情況——即在強(qiáng)相互作用體系中，因?yàn)樵诓Ｉ?愛(ài)因斯坦凝聚關(guān)系中，所涉及的相互作用更為復(fù)雜，所以只有在理想狀態(tài)下或者相對(duì)較弱的相互作用下的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚才能比較同理論，由于環(huán)境要求較高，一直未能進(jìn)行試驗(yàn)證實(shí)。

終于，在20世紀(jì)80年代，科學(xué)技術(shù)有了極大了發(fā)展進(jìn)步，玻色-愛(ài)因斯坦凝聚終于被科學(xué)家們?cè)跉怏w試驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)，一共歷時(shí)70年，于1995年，中原子的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚在實(shí)驗(yàn)室被大家所看到，同年7月13日，由美國(guó)科羅大多大學(xué)與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局合辦的實(shí)驗(yàn)談體物理研究所的埃里克.康奈爾，170毫微度的堿金屬銣在絕對(duì)低溫下出現(xiàn)了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚。同年11月麻省理工學(xué)院的跌過(guò)科學(xué)家沃爾夫?qū)た颂乩赵阝c蒸汽中發(fā)現(xiàn)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚現(xiàn)象。并與美國(guó)科學(xué)家埃里克·康奈爾在2001年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

2 國(guó)內(nèi)外對(duì)于玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的研究的進(jìn)展和動(dòng)態(tài)

在1924年，愛(ài)因斯坦便通過(guò)一定的研究從理論層次提出預(yù)想，當(dāng)溫度達(dá)到了足夠低的程度時(shí)，理想的玻色子便能夠出現(xiàn)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的現(xiàn)象。在此之后，許多的科學(xué)家便都想通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)這一預(yù)想進(jìn)行證實(shí)，然而，年代的技術(shù)與條件的限制，使得在此后的70年之內(nèi)，都并不能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)愛(ài)因斯湯的預(yù)想進(jìn)行驗(yàn)證。直至20世紀(jì)80年代末90年代初，美國(guó)的卡爾·維曼與埃里克·康奈爾同一批從事這一領(lǐng)域研究的學(xué)生組成了JJLA小組來(lái)對(duì)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚現(xiàn)象盡心研究，時(shí)間長(zhǎng)達(dá)6年。在1995年的7月，在原子銣的蒸汽之中將該種凝聚進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，同年的8月，Rice大學(xué)的Hulet小組通過(guò)實(shí)驗(yàn)在鋰原子之中觀察到了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的現(xiàn)象，11月，ketterle小組也在鈉原子之中觀察到了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的現(xiàn)象，這三大研究成果，可以稱之為在對(duì)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的研究道路上取得的重大突破。

在1995年之后，全球有許多的專家與該領(lǐng)域的學(xué)者都投入到了對(duì)其的研究之中，到今天為止，已有30多個(gè)的研究小組通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的現(xiàn)象。在其中，絕大多數(shù)便是將銣原子蒸汽作為研究的樣品。在1998年的6月，美國(guó)麻省理工大學(xué)的研究小組在鈉原子之中觀察到了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的現(xiàn)象，氫原子曾經(jīng)被當(dāng)做是對(duì)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的現(xiàn)象最為理想的研究原子，在50年代便有研究人員以其作為研究的對(duì)象，主要由于氫原子體質(zhì)較輕，在同樣的溫度之下其熱波長(zhǎng)較長(zhǎng)，這就比較容易達(dá)到玻色-愛(ài)因斯坦凝聚現(xiàn)象的要求，然而，氫原子的系統(tǒng)在對(duì)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，由于偶極弛豫會(huì)隨著溫度出現(xiàn)下降而不斷地對(duì)系統(tǒng)的原子數(shù)進(jìn)行減少，并出現(xiàn)一些特殊的困難，導(dǎo)致了氫原子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究落在了別的原子系統(tǒng)試驗(yàn)研究的后面。MIT在氫原子之中實(shí)現(xiàn)了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚現(xiàn)象的研究，這也是該實(shí)驗(yàn)研究的一大重要進(jìn)步。

在對(duì)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)后，該領(lǐng)域的研究工作便開始朝著兩個(gè)方向發(fā)展著，一方便是對(duì)當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)一步地完善，使得物資波相干放大輸出的穩(wěn)定與連續(xù)性能夠被實(shí)現(xiàn)，便于對(duì)新的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行深度地開發(fā)，并且，還能夠?qū)ξ镔|(zhì)檢測(cè)的手段進(jìn)行完善，另一方面則是對(duì)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚相關(guān)的基礎(chǔ)理論的研究進(jìn)行關(guān)注。到現(xiàn)在為止，對(duì)于玻色-愛(ài)因斯坦凝聚之中許多基本的認(rèn)為研究人員們?nèi)匀粌H僅有著較為模糊的認(rèn)識(shí)，例如愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)是如何形成的？例子之間的相互作用對(duì)于玻色-愛(ài)因斯坦的性質(zhì)是怎樣起到影響的？玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的相變的特性是怎樣的？對(duì)于玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的超流性質(zhì)的認(rèn)知？其與光之間有著怎樣的相互作用？其在碰撞方面的特性是怎樣的等諸多的問(wèn)題，當(dāng)前都無(wú)法做出十分權(quán)威的解答，但有實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了玻色－愛(ài)因斯坦的凝聚態(tài)，便能夠?qū)@一系列的問(wèn)題進(jìn)行探索并深入地研究。

在我國(guó)國(guó)內(nèi)，雖然并未有實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚方面的實(shí)驗(yàn)，但我國(guó)有著許多的研究小組在理論到實(shí)踐的各方面進(jìn)行了研究并發(fā)表了一些有著一定的影響的論文等，然而，總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究競(jìng)爭(zhēng)是處于劣勢(shì)的，因此，在未來(lái)的研究中，更需要投入更多的精力，爭(zhēng)取趕上領(lǐng)先國(guó)家的研究水平。

3 對(duì)前景的展望

玻色-愛(ài)因斯坦凝聚現(xiàn)象對(duì)于基礎(chǔ)的應(yīng)用與研究的重要的意義以及其本身所具有的奇特的性質(zhì)使得對(duì)該領(lǐng)域的研究也有著十分重要的意義，成為了現(xiàn)代的物理學(xué)主要研究的前沿領(lǐng)域之一，通過(guò)對(duì)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚現(xiàn)象研究的嘉盛，將會(huì)使得人們對(duì)于當(dāng)前物理學(xué)之中一部分基本的問(wèn)題進(jìn)行重新的認(rèn)識(shí)，并且，對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)，也十分可能開創(chuàng)出一個(gè)新的紀(jì)元。眾所周知，當(dāng)光進(jìn)入到介質(zhì)之中時(shí)，其速度將會(huì)出現(xiàn)變慢的現(xiàn)象，但一般來(lái)說(shuō)，只會(huì)降低到原來(lái)的幾分之一的水平，然而，在對(duì)玻色-愛(ài)因斯坦凝聚狀態(tài)下的“冷凝物”作為介質(zhì)時(shí)，可以將光速降低到零。將光速進(jìn)行降低有著許多的用途，例如在未來(lái)對(duì)于光學(xué)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行研究，降低光速便是其中首先要解決的一大問(wèn)題，并且，利用玻色-愛(ài)因斯坦凝聚的現(xiàn)象可以對(duì)將紅外線轉(zhuǎn)換成為可見光的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究與開發(fā)，并且，利用玻色-愛(ài)因斯坦凝聚現(xiàn)象能夠?qū)ΜF(xiàn)有的原子鐘進(jìn)行改善，若是作為原子鐘的原子蒸汽直接在玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體之中進(jìn)行銓敘，將會(huì)有著更加尖銳的共振躍遷的信號(hào)，這就能夠使得對(duì)于時(shí)間計(jì)量的精度可能再次提高100倍左右，達(dá)到1/1015的水平之上。另外，通過(guò)對(duì)原子數(shù)的相干方法-原子激光的實(shí)現(xiàn)，十分可能對(duì)于高新技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的巨大影響。綜上，筆者認(rèn)為，玻色-愛(ài)因斯坦的研究對(duì)于21世紀(jì)的物理學(xué)的不斷發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的再次進(jìn)步都將會(huì)起到巨大的影響，對(duì)其進(jìn)行深入的研究將會(huì)有著十分重要的意義。

［1］汪志誠(chéng).熱力學(xué) 統(tǒng)計(jì)物理[M].北京:高等教育出版社,1992,1.

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