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玻色-愛因斯坦冷凝物

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BEC是物質的一種奇特的狀態,處於這種狀態的大量原子的行為 像單個粒子一樣。打個比方,練兵場上的士兵剛解散不久,突然指揮 官發令「向東齊步走」,於是所有的士兵像一個士兵一樣整齊的向東 走去。如果將士兵縮小到原子尺度,以至於分辨不出誰是誰,我們便 看到了「BEC」。

1英文名稱

Bose-Einstein condensate
玻色-愛因斯坦冷凝物
玻色-愛因斯坦冷凝物

2簡介

——2001年度Nobel物理學獎簡介
諾貝爾獎自1901年頒發以來,一直是世人所公認的最高榮譽獎項。 在它的六個獎項中,物理學、化學和醫學(或生理學)獎尤為引人注 目。下面僅就自己所熟知的領域談談物理學獎的概況。今年是諾貝爾 獎頒發百年紀念,因此這次物理學獎的頒發被人們認為有著特殊的意 義,Nature、Science以及各種媒體都先後聚焦於10月9日。美國麻省理 工學院(MIT)的Wolfgang Ketterle和科羅拉多大學JILA研究所的Carl Wieman,Eric Cornell因實驗上實現玻色-愛因斯坦凝聚(簡稱BEC) 現象而分享了本年度諾貝爾物理學獎。

3名稱由來

那為什麼冠以玻色-愛因斯坦的名字呢?有這樣一 段插曲。  1924年,年輕的印度物理學家玻色寄給愛因斯坦一篇論文,提出 了一種新的統計理論,它與傳統的統計理論僅在一條基本假定上不同。 傳統統計理論假定一個體系中所有的原子(或分子)都是可以辨別的, 我們可以給一個原子取名張三,另一個取名李四……,並且不會將張 三認成李四,也不會將李四認成張三。基於這一假定的傳統理論圓滿 地解釋了理想氣體定律,可以說取得了非凡的成功。然而玻色卻挑戰 了上面的假定,認為在原子尺度上我們根本不可能區分兩個同類原子 (如兩個氧原子)有什麼不同。接著,玻色討論了如下一個問題(這 個問題所有高中生都做過):將N個相同的小球放進M個標號為1,2,…, M的箱子中,假定箱子的容積足夠大,有多少種不同的放法?在此問 題的基礎上,採用傳統統計相似的作法,玻色便得到了一套新的統計 理論。 玻色的論文引起了愛因斯坦的高度重視,迅速幫玻色譯成德文發表。隨後將玻色的理論用於原子氣體中,進而推測在足夠低的溫度下, 所有原子有可能處在相同的最低能態上,所有的原子的行為像一個粒子一樣。後來物理界將這種現象稱為玻色-愛因斯坦凝聚。值得注意的是,這裡的「凝聚」與日常生活中的凝聚不同,它表示原來不同狀 態的原子突然「凝聚」到同一狀態。

4後續研究

愛因斯坦的預測引起了實驗物理學家的廣泛興趣。然而實現BEC的條件極為苛刻和「矛盾」:一方面希望達到極低的溫度,另一方面 還要求原子體系處於氣態。實現低溫的傳統手段是蒸發製冷;而朱棣文、Cohen-Tannoudj和Phillips發展的激光冷卻和磁阱技術是另一種有效 的製冷方法,他們三人因此分享了1997年度諾貝爾物理學獎。1976年, Nosanow和Stwalley證明在任意低溫下處於自旋極化的氫原子始終能保持氣態,則為實現第二個要求提供了希望。  但遺憾的是,眾多的實驗物理學家將自旋極化的氫原子氣體降溫,並未觀察到BEC現象。於是Wieman和Cornell開始將興趣轉向鹼金屬原子氣體,1995年,他們將銣原子限制在磁阱中進行激光冷卻首次成功的觀察到原子氣的BEC現象。同年,MIT的Ketterle也在鈉原子氣中實現了BEC。BEC的實現不僅在基礎研究方面具有重大意義,還可能在 「原子晶元」和量子計算機等方面有廣泛的應用前景。因此今年的諾貝爾l物理學獎授予Wieman、Cornell和Ketterle以表彰他們在BEC實驗 方面的開創性工作。

5實踐條件

Ketterle在納原子氣中實現的BEC,從實現BEC的歷程來看,有以下兩個必備的客觀條件:首先是理 論準備(玻色和愛因斯坦的工作),其次是實驗手段的進步(朱棣文 等人的工作)。剩下的就是個人的素質了,要有眼光,走對路(Wieman、 Cornell和Ketterle選擇鹼金屬原子氣體作為冷卻的對象)。這樣看來, 諾貝爾物理學獎似乎不是什麼神秘的東西。因此有人就會問為什麼中 國內地就沒有出現諾貝爾獎呢?下面談談我的個人看法。  諾貝爾物理學獎的宗旨是:「獎給在物理學領域內作出最重要的 發現或發明的人」。從這一宗旨來看,目前內地的實驗條件遠遠達不 到產生諾貝爾(實驗)獎項的條件,在理論工作領域出現突破可能相 對容易一些,但這些突破必須是重大的原始創新,它實質上是科學氣 氛於科學精神的產物,以下條件是必不可少的:思想開放,不迷信權威。創新就是要打破某些已有的定論,因循 守舊,盲從權威是不可能有所創新的。中國的知識分子經歷了太多的 苦難以及封建思想的殘餘,以至於思想里保守成分多,權威意識過強, 傳統教育中以循規蹈矩為優等等都不利於創新。  科學文化的沉澱。任何重大創新不是憑空冒出來的,創新必須以 繼承已有的優秀科學成果和思想方法為前提,這種科學文化需要長時 間的積累。而中國內地真正科學文化的萌芽起於1919年的五四運動, 後來又受文革的嚴重衝擊,因此真正的科學文化沉澱也就20來年時間, 比起西方三四百年簡直是小菜。熱情奔放而又執著追求科學的年輕人。據中科院2001年科學發展 報告統計,諾貝爾物理學獎得主作出代表性工作的平均年齡為36歲, 他們從很小就開始對物理學感興趣並一直鍾愛著物理學。他們能如此 執著,一方面是經濟條件還不錯,更重要的是他們從小所受的教育是 以充分發揮自己的個性為主。而內地的教育更樂意將學生培養成標準 的螺絲釘,學生本人則很少有太多的想法和目標,在經濟大潮的影響 下立刻便沉到「海」里去了。  總之,諾貝爾物理學獎是在繼承前人優秀的成果基礎上的重大創 新,目前中國內地並不具備上述創新的條件。但值得慶幸的是,自改 革開放以來,思想界也有所解放,國家對科學重視程度提高,國際交 流與合作也日益廣泛和深入,我想經過漫長時間的努力,中國大陸有 望出現諾貝爾物理學獎。
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