玻色-愛因斯坦凝聚的研究

劉漪榕

（渤海大學，遼寧 錦州121000）

1 玻色-愛因斯坦凝聚從何而來

在自然界中，按統計性質分類，粒子分為玻色（Bose）子以及費米（Femi）子。劃分原理為其自旋為整整數粒子還是半整數粒子，前者為玻色子，例如光子、費米子以及π介子等，服從于玻色-愛因斯坦統計，而后者為費米子，例如電子、質子、中子等為費米子，服從于費米-狄拉克統計。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因斯坦，試圖通過假定相空間來脫離經典電動學而對普朗克定律系數8м2/c3、假定基本區域為h3，隨后愛因斯坦將其翻譯為德文并發表，并將其作為一項重要工作來研究，愛因斯坦在1924年與1925年兩年發表了關于玻色的兩篇文章，將玻色對光子的統計方法推廣到某類原子，在文章中，他對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下，也就是本文研究的標題玻色-愛因斯坦凝聚。在當時并沒有任何一種物理系統認為與其現象有關，直至1938年F.Lmndon指出，超流現象與超導現象可能與玻色-愛因斯坦凝聚有關聯，這一猜想引發了物理學術界的思考，從此物理學術界開始對玻色-愛因斯坦凝聚重視起來，并加以研究，但是經發現，超流與超導均是在特殊情況——即在強相互作用體系中，因為在玻色-愛因斯坦凝聚關系中，所涉及的相互作用更為復雜，所以只有在理想狀態下或者相對較弱的相互作用下的玻色-愛因斯坦凝聚才能比較同理論，由于環境要求較高，一直未能進行試驗證實。

終于，在20世紀80年代，科學技術有了極大了發展進步，玻色-愛因斯坦凝聚終于被科學家們在氣體試驗中實現，一共歷時70年，于1995年，中原子的玻色-愛因斯坦凝聚在實驗室被大家所看到，同年7月13日，由美國科羅大多大學與國家標準局合辦的實驗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低溫下出現了玻色-愛因斯坦凝聚。同年11月麻省理工學院的跌過科學家沃爾夫岡·克特勒在鈉蒸汽中發現玻色-愛因斯坦凝聚現象。并與美國科學家埃里克·康奈爾在2001年獲得諾貝爾物理學獎。

2 國內外對于玻色-愛因斯坦凝聚的研究的進展和動態

在1924年，愛因斯坦便通過一定的研究從理論層次提出預想，當溫度達到了足夠低的程度時，理想的玻色子便能夠出現玻色-愛因斯坦凝聚的現象。在此之后，許多的科學家便都想通過實驗來對這一預想進行證實，然而，年代的技術與條件的限制，使得在此后的70年之內，都并不能夠通過實驗對愛因斯湯的預想進行驗證。直至20世紀80年代末90年代初，美國的卡爾·維曼與埃里克·康奈爾同一批從事這一領域研究的學生組成了JJLA小組來對玻色-愛因斯坦凝聚現象盡心研究，時間長達6年。在1995年的7月，在原子銣的蒸汽之中將該種凝聚進行了實現，同年的8月，Rice大學的Hulet小組通過實驗在鋰原子之中觀察到了玻色-愛因斯坦凝聚的現象，11月，ketterle小組也在鈉原子之中觀察到了玻色-愛因斯坦凝聚的現象，這三大研究成果，可以稱之為在對玻色-愛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域的學者都投入到了對其的研究之中，到今天為止，已有30多個的研究小組通過實驗證實了玻色-愛因斯坦凝聚的現象。在其中，絕大多數便是將銣原子蒸汽作為研究的樣品。在1998年的6月，美國麻省理工大學的研究小組在鈉原子之中觀察到了玻色-愛因斯坦凝聚的現象，氫原子曾經被當做是對玻色-愛因斯坦凝聚的現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象，主要由于氫原子體質較輕，在同樣的溫度之下其熱波長較長，這就比較容易達到玻色-愛因斯坦凝聚現象的要求，然而，氫原子的系統在對玻色-愛因斯坦凝聚現象實現的過程中，由于偶極弛豫會隨著溫度出現下降而不斷地對系統的原子數進行減少，并出現一些特殊的困難，導致了氫原子系統的實驗研究落在了別的原子系統試驗研究的后面。MIT在氫原子之中實現了玻色-愛因斯坦凝聚現象的研究，這也是該實驗研究的一大重要進步。

在對玻色-愛因斯坦凝聚實驗進行實現后，該領域的研究工作便開始朝著兩個方向發展著，一方便是對當前的實驗技術進一步地完善，使得物資波相干放大輸出的穩定與連續性能夠被實現，便于對新的應用領域進行深度地開發，并且，還能夠對物質檢測的手段進行完善，另一方面則是對玻色-愛因斯坦凝聚相關的基礎理論的研究進行關注。到現在為止，對于玻色-愛因斯坦凝聚之中許多基本的認為研究人員們仍然僅僅有著較為模糊的認識，例如愛因斯坦凝聚態是如何形成的？例子之間的相互作用對于玻色-愛因斯坦的性質是怎樣起到影響的？玻色-愛因斯坦凝聚的相變的特性是怎樣的？對于玻色-愛因斯坦凝聚的超流性質的認知？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題，當前都無法做出十分權威的解答，但有實驗產生了玻色－愛因斯坦的凝聚態，便能夠對這一系列的問題進行探索并深入地研究。

在我國國內，雖然并未有實驗實現了玻色-愛因斯坦凝聚方面的實驗，但我國有著許多的研究小組在理論到實踐的各方面進行了研究并發表了一些有著一定的影響的論文等，然而，總的來說，我國在這一領域的研究競爭是處于劣勢的，因此，在未來的研究中，更需要投入更多的精力，爭取趕上領先國家的研究水平。

3 對前景的展望

玻色-愛因斯坦凝聚現象對于基礎的應用與研究的重要的意義以及其本身所具有的奇特的性質使得對該領域的研究也有著十分重要的意義，成為了現代的物理學主要研究的前沿領域之一，通過對玻色-愛因斯坦凝聚現象研究的嘉盛，將會使得人們對于當前物理學之中一部分基本的問題進行重新的認識，并且，對其應用進行開發，也十分可能開創出一個新的紀元。眾所周知，當光進入到介質之中時，其速度將會出現變慢的現象，但一般來說，只會降低到原來的幾分之一的水平，然而，在對玻色-愛因斯坦凝聚狀態下的“冷凝物”作為介質時，可以將光速降低到零。將光速進行降低有著許多的用途，例如在未來對于光學的計算機進行研究，降低光速便是其中首先要解決的一大問題，并且，利用玻色-愛因斯坦凝聚的現象可以對將紅外線轉換成為可見光的相關技術進行研究與開發，并且，利用玻色-愛因斯坦凝聚現象能夠對現有的原子鐘進行改善，若是作為原子鐘的原子蒸汽直接在玻色-愛因斯坦凝聚體之中進行銓敘，將會有著更加尖銳的共振躍遷的信號，這就能夠使得對于時間計量的精度可能再次提高100倍左右，達到1/1015的水平之上。另外，通過對原子數的相干方法-原子激光的實現，十分可能對于高新技術領域產生革命性的巨大影響。綜上，筆者認為，玻色-愛因斯坦的研究對于21世紀的物理學的不斷發展以及科學技術的再次進步都將會起到巨大的影響，對其進行深入的研究將會有著十分重要的意義。

［1］汪志誠.熱力學 統計物理[M].北京:高等教育出版社,1992,1.

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