1995年，兩個(gè)獨(dú)立研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)表了製造出玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)（Bose-Einstein Condensation, BEC）的決定性證據(jù)。這項(xiàng)劃時(shí)代的成就，使得相關(guān)科學(xué)家於2001年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。如今，此現(xiàn)象不僅是凝態(tài)物理的核心課題，更在高能物理、宇宙學(xué)與量子科技等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出深遠(yuǎn)的應(yīng)用潛力。本文將回顧這一關(guān)鍵物理發(fā)現(xiàn)是如何逐步實(shí)現(xiàn)的。

玻色—愛因斯坦凝聚被視為繼固、液、氣、等離子體之後的「物質(zhì)第五態(tài)」，其研究開啟了操控宏觀量子現(xiàn)象的新紀(jì)元，在BEC這種獨(dú)特的物質(zhì)狀態(tài)下，大量粒子因量子效應(yīng)而協(xié)同一致地運(yùn)動(dòng)，彷彿一個(gè)宏觀的單一整體。

今年正是原子物理學(xué)一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)的30周年紀(jì)念。早在1925年，愛因斯坦受物理學(xué)家薩特延德拉·納特·玻色的啟發(fā)，預(yù)言了BEC存在的可能性。玻色最初闡述了光量子（光子）的統(tǒng)計(jì)行為，愛因斯坦進(jìn)而將其理論推廣至原子體系：他預(yù)測(cè)，當(dāng)某類粒子在極低溫度下，即使彼此間無任何吸引力，也會(huì)聚集到相同的量子基態(tài)，從而表現(xiàn)出整體一致的運(yùn)動(dòng)。

起初，BEC僅被視為理論設(shè)想。直到1938年，科學(xué)家在液態(tài)氦-4中觀察到超流現(xiàn)象——氦液體能夠無阻力地流動(dòng)——人們開始意識(shí)到BEC可能是其背後的物理機(jī)制。類似概念亦可延伸至超導(dǎo)現(xiàn)象：當(dāng)電子結(jié)成「庫(kù)珀對(duì)」後，在低溫下形成類似BEC的凝聚態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)電流的零電阻傳輸。

（按：粒子能否形成BEC，取決於其內(nèi)稟屬性「自旋」。自旋為整數(shù)的粒子（玻色子）可聚集至同一量子態(tài)；而自旋為半整數(shù)的粒子（費(fèi)米子）則受泡利不相容原理限制，無法形成傳統(tǒng)意義上的BEC。）

進(jìn)入1970年代中期，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家開始積極嘗試在實(shí)驗(yàn)室中製備BEC。關(guān)鍵突破之一是雷射冷卻技術(shù)的發(fā)展：透過雷射光子與原子的動(dòng)量交換，使原子減速?gòu)亩档推錅囟?；在最後冷卻階段，再利用「蒸發(fā)冷卻」有選擇地移除能量最高的原子，使剩餘原子團(tuán)溫度進(jìn)一步驟降。這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)為實(shí)現(xiàn)BEC鋪平道路，並於1997年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的肯定。

1995年，兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)分別利用銣原子與鈉原子成功觀測(cè)到BEC。他們先以磁場(chǎng)束縛住原子雲(yún)，結(jié)合雷射冷卻與蒸發(fā)冷卻技術(shù)，將原子溫度降至僅比絕對(duì)零度高數(shù)十億分之一度的極低溫。

為確認(rèn)BEC的形成，研究人員關(guān)閉磁場(chǎng)束縛，讓原子自由擴(kuò)散並測(cè)量其速度分布。當(dāng)溫度低於臨界值時(shí)，大量原子聚集在幾乎為零動(dòng)量的量子基態(tài)，清晰顯示出愛因斯坦所預(yù)言的凝聚現(xiàn)象。至今，科學(xué)家已在實(shí)驗(yàn)室中使多種不同的原子體系實(shí)現(xiàn)BEC。

小結(jié)

極低溫原子系統(tǒng)所形成的BEC，為我們提供了一個(gè)高度可控的量子模擬平臺(tái)，用以探索宏觀尺度下的量子行為。例如，科學(xué)家可利用BEC模擬固體中電子的運(yùn)動(dòng)、研究磁學(xué)的微觀機(jī)制，甚至探索宇宙學(xué)中暗能量的可能類比。此外，BEC體系在量子計(jì)算、精密測(cè)量與新型量子器件開發(fā)等方面，亦持續(xù)展現(xiàn)出重要的應(yīng)用前景。這項(xiàng)三十年前的實(shí)驗(yàn)突破，至今仍在不斷推動(dòng)前沿科學(xué)與技術(shù)的融合與創(chuàng)新。

●杜子航 教育工作者 早年學(xué)習(xí)理工科目，一直致力推動(dòng)科學(xué)教育與科普工作，近年開始關(guān)注電腦發(fā)展對(duì)社會(huì)的影響。