激光冷卻及玻色愛因斯坦凝聚

依據微觀粒子統計性質的不同，物理學家們把微觀粒子劃分為兩類：費米子和玻色子。費米子服從費米-狄拉克統計，玻色子則服從玻色-愛因斯坦統計。對于費米子來說，兩個粒子不能同時占據在同一狀態，這就是有名的“泡利不相容”原理；對于玻色子來說，則可以允許兩個甚至更多個粒子處于同一狀態。但是人們并不能分清楚到底是哪個微觀粒子坐在這個位置上。這個就是一般統計物理里面說的“全同的量子粒子不可分辨”。

1924年，印度物理學家玻色最先提出了一種對光子的統計方法。1925年，愛因斯坦將玻色的理論推廣到有質量的原子體系中，預言了一種新的物質狀態的存在。根據預言，在極低的溫度下，由服從玻色-愛因斯坦統計的原子構成的氣體可能會發生神奇的轉變，處于最低的能量狀態上的原子數目會隨著溫度的降低逐漸增大，直到幾乎所有的原子都處于這一個能量狀態上，而整體呈現出一個量子狀態。這種狀態后來被稱為“玻色-愛因斯坦凝聚”，是很多實驗物理學家致力實現的預言。

實現原子系統的玻色愛因斯坦凝聚的關鍵技術是激光冷卻，它是20世紀80年代中期后發展起來的。大家都知道，溫度是與微觀粒子的無規熱運動速度成正相關，而激光冷卻原子，就是通過降低原子的運動速度，來實現冷卻。

我們將激光的波長選擇在原子譜線波長略微比中心位置長一些的一側，那么由于多普勒效應，向著激光運動的原子感受到的波長會顯得短一些，因此作用強烈；而背離激光運動的原子感受到的波長會更長一些，因此作用很弱。這樣，如果在前后左右上下六個方向都有一束激光的話，就可以把原子的速度降低下來。通過這種方法，可以將原子氣體的溫度降低到絕對零度之上大約千分之一攝氏度。

然而，要實現玻色愛因斯坦凝聚，這還不夠，還需要進一步蒸發冷卻。

蒸發冷卻的原理大家都很熟悉：一杯開水放在桌子上，水里面速度較快的水分子會沖出水面，散發到空氣中去，從而帶走了較多的能量，剩下的水分子平均能量因此降低。同樣，原子本身具有磁性，可以利用磁場來束縛原子，通過各種手段可以讓束縛在勢阱里面的帶有較高能量的原子跑掉，得到更冷的原子氣體。

利用這兩種制冷方法，Cornell和Wieman在1995年6月成功地將含有大約2000個銣原子的氣體冷卻到低于170nK的溫度（僅比絕對零度高了百萬分之零點一七度），這時，大量的原子聚集到了最低的能量狀態，形成了玻色愛因斯坦凝聚。4個月之后，麻省理工學院的Ketterle教授等人成功地用鈉原子實現了玻色愛因斯坦凝聚。而這三位科學家也因此分享了2001年的諾貝爾物理學獎。

玻色愛因斯坦凝聚從理論提出到最終的實驗驗證，經歷了將近一百年的時間，經過許多物理學家孜孜不倦的努力才得以實現。這個領域今天仍是現代物理里面光學、凝聚態等方向的尖端前沿。科學發現如此不易，卻激動人心，而且是那樣的美妙。