冷原子的量子煙花秀

石無魚

節(jié)日里的煙花表演想必對于大家不會陌生吧？現(xiàn)在讓我們來觀賞另一種煙花——由量子流體的波動制造出來的美麗、微小的量子煙花。

這種量子煙花發(fā)生在玻色-愛因斯坦凝聚體中。玻色-愛因斯坦凝聚是物質(zhì)除了固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子態(tài)之外的第五種物態(tài)。它是怎么來的呢？它有哪些性質(zhì)？這得先好好解釋一下。

我們知道，微觀粒子都是有自旋的，自旋是一種量子特性。而且奇怪得很，粒子的自旋值只能取普朗克常數(shù)的整數(shù)倍或半整數(shù)倍，如0、1/2、1、3/2……。自旋為整數(shù)的叫玻色子;自旋為半整數(shù)的叫費米子。有趣的是，玻色子和費米子在集體行為上表現(xiàn)得大相徑庭。簡單地說，玻色子喜歡“扎堆”，費米子喜歡“獨處”。當許多玻色子聚在一起，步調(diào)一致地行動時，我們就稱發(fā)生了“玻色-愛因斯坦凝聚”。

不過要得到玻色-愛因斯坦凝聚并不容易，需要把玻色子冷卻到接近絕對零度。這通常要通過激光來完成。

我們回頭談量子煙花。銫原子是玻色子，最近美國芝加哥大學的物理學家把一些銫原子置入由幾束激光圍成的圓形陷阱（這就是著名的“光鑷子”）中，將它們固定在一個地方，不許四處亂跑。陷阱直徑26微米，只有細菌般大小。冷卻之后，這些銫原子就形成了玻色-愛因斯坦凝聚體。

然后，科學家不斷向凝聚體發(fā)射變化的磁場，激發(fā)銫原子進入更高的能量狀態(tài)。這過程中，小小陷阱里產(chǎn)生了起伏的漣漪。

因為玻色子喜歡處于相同的狀態(tài)，步調(diào)一致地行動，所以一旦一些銫原子被激發(fā)，更多的同伴就會加入其中。科學家發(fā)現(xiàn)，這種盲目的追隨行為產(chǎn)生了一種放大效應，陷阱里的漣漪獲得更多的能量，幅度越來越大。最后就像海浪拍打堤壩一樣沖出陷阱，形成美麗的量子煙花。

這種現(xiàn)象太有趣了，是科學家完全沒有想到的。科學家猜測，這個效應可能與量子力學中的零點能被放大有很大關系。

這個實驗再一次讓科學家感到，量子體系中有趣的事情實在是太多了，量子世界就像是一個挖掘不盡的寶藏。玻色-愛因斯坦凝聚體本來是一個被充分研究的領域，沒想到在這次實驗中觀察到從未有過的現(xiàn)象，這為今后的研究開辟了一個新的思路。