互动科普

3年前，在科罗拉多的一个实验室里，研究人员实现了一个多年来的梦想，从而使量子世界同人们的日常生活经验更加接近。

1995年6月，我们在科罗拉多州博尔德实验室天体物理学联合研究所(Joint Institute for Laboratory Astrophysics，简称JLA)的研究小组成功地做出了一个非常微小但却神奇的微滴。我们把2千个铷原子冷却到低于绝对零度以上一千万分之一度的温度上(即低于一千万分之一开氏度)，从而使这些原子在整整10秒的时间里失去了它们各自的个性，变成似乎是单单一个超级原子。这些原子的物理性质——例如它们的运动——变得彼此完全相同。这是在气体中首次被观测到的所谓玻色—爱因斯坦凝聚体(Bose—Einstein condensate，缩写为BEC)，它可以看成是与激光相当的一种物质形态，其区别仅在于，在这一凝聚体中，行动步调完全一致的是原子，而在激光中则是光子。

我们这个寿命很短、温度极低的试样在实验上实现了一项理论思维的产物，它是物理学家阿尔伯特·爱因斯坦和萨蒂恩德拉·拉什·玻色在73年前就预测了的，从那时以来一直吸引着科学家们的兴趣。在常温下，气体的原子在保持气体的容器内到处作不规则的运动。有的原子能量较高(即速度较高)，其它一些原子能量较低。爱因斯坦在发展玻色的研究成果时，证明了如果把某一原子集合冷却到足够低的温度，其中大部分原子就会进入容器内单一的最低能态。用数学术语来说就是，它们各自的波函数——被函数描述原子的位置及速度等物理性质——实际上互相合并，这样每个原子就无法同其它任何一个原子区别开来。

创造玻色——爱因斯坦凝聚体的工作所取得的进展激起了物理学界的极大兴趣，其至得到了主流报界的大量报导。起先人们对这个问题的兴趣部分来自于科学家们数十年来试图证明爱因斯坦理论这一追求中所固有的戏剧性。然而现在人们的好奇心主要来自于这样一个事实：凝聚态提供了一个观察奇异的量子力学世界的宏观窗口(量子力学是以基本粒子——如电子——具有波的性质这一观测事实为依据的物质理论)。包括海森堡著名的不确定原理在内的量子力学，利用这些性质描述物质结构和物质相互作用。

对于宏观数量的物质，我们很难观察到它的行为显示出量子力学效应。在通常的所谓体积物质中(bulk matter)，组份粒子多得不计其数，它们各自的贡献是非相干的，从而掩盖了物质的量子力学波性质的一面，我们只能推导出它的效应。但在玻色凝聚中，每个原子的波性质同其它每一个原子的波性质是完全同步的。这样量子力学波就跨越整个凝聚体试样，可以用肉眼观察。因此亚微观现象就变成了宏观现象。

对老悖论的新认识

玻色—爱因斯坦凝聚体的产生，使人们对一些长期存在的量子力学悖论获得了新的认识。例如，如果两个或两个以上的原子处于单一的量子力学状态中(例如处于凝聚体中)，那就根本不可能通过任何测量把它们区分开来。这两个原子占据相同的空间范围，以相同的速度运动，散射同一种颜色的光等等。

我们的日常经验建立在对熟悉的常温物质的了解这一基础上，它无助于我们认识这个悖论。这是因为，在常温下以及在我们熟悉的尺寸范围上，我们能够描述某一物体集合中的每一个物体的位置和运动。能够用经典力学来描述的这类运动的一个实例是在一个用来摇六合彩奖的转鼓中不停地到处反弹的编了号的乒乓球。

另一方面，在极低的温度和极小的尺寸范围上，经典力学的用处就开始减弱了。把原子比作乒乓球这一干脆明确的类比开始变得模糊不清。我们无法知道每一个原子的确切位置，此时我们最好把原子看成是一团模糊的斑块，这一斑块(称为波包)是我们能够期望找到原子的空间区域。随着原子集合变得越来越冷，每一个波包就变得越来越大。只要每个波包在空间上是同其它波包分开的，我们就能够把原子区别开来(至少是原则上能够区别开来)。然而，当温度变得足够低时，每个原子的波包就开始同邻近原子的波包重叠起来。当这种情况发生时，原子就通过玻色凝聚(Bose—condense)而进入最低能态，波包则聚合成一个单一的宏观波包。这些原子经历了一个量子身分危机：我们不再能够把它们彼此区分开来。

目前人们对这些玻色—爱因斯坦凝聚体激动不已，此种情绪同1925年爱因斯坦发现这类凝聚体可能存在时人们的反应形成了鲜明的对比。或许是因为当时的技术无法达到形成凝聚体所需的极低温度——低于百万分之一开氏度——这种假设的气态凝聚体被人们看作不过是一种新奇玩意，它的正确性颇值得怀疑，而且没有多大的物理意义。下面事实有助于正确认识这一点：即使是最寒冷的星系际空间深处，其温度也比形成玻色凝聚所需的温度高出数百万倍。

然而，在其后的数十年中，玻色凝聚又开始成为时髦的话题。物理学家们意识到，这一概念可以解释液氦中的超流动性(超流动性发生的温度远髙于气态玻色凝聚所需的温度)。在低于2.2开氏度时，液氦的粘性完全消失——这就是超流动性(superfluidity)中“超”(super)的由来。

直到七十年代后期，低温技术才发展到足够高的水平，使物理学家们得以开始考虑创造出类似于爱因斯坦最初设想的气体中BEC凝聚体的某种东西。为此，麻省理工学院、阿姆斯特丹大学、不列颠哥伦比亚太学和康奈尔大学的实验室研究人员不得不面对一个根本的困难。为了实现这样一种BEC，他们必须把气体冷却到远低于在正常情况下原子会凝结为固体的温度。换言之，他们必须创造出一种超饱和气体。当时他们预期氢将是超饱和的，因为已经知道氢这种气体不容易出现在整体凝固前发生的原子逐个地团聚的现象。

虽然这些研究人员用氢来产生玻色—爱因斯坦凝聚体的努力尚未获得成功，但他们对于这项工作面临的障碍有了深刻得多的认识，并发现了一些巧妙的办法来克服这些障碍，而这对于我们很有帮助。1989年，由于受到关于氢的研究成果的启发以及在我们自己用激光来捕获亚冷却碱金属原子的研究工作的鼓舞下，我们开始猜想用这些原子(包括铯、铷和钠等)来产生玻色凝聚体将比用氢合适得多。虽然铯、铷和钠原子的团聚性质并不比氢原子更好，但是这些原子转变成凝聚体的速率却比氢原子快得多。这些大得多的原子彼此相互散射的速率高得多，因此能更快地分享彼此的能量，这使得凝聚体在团聚还没有来得及发生之前就形成了.

此外，把两类巧妙的方法——即用激光来冷却并捕获碱金属原子的方法以及研究氢的研究人员们提出的磁捕获与蒸发冷却法——结合起来以使这些原子冷却到极低的温度，看来是比较容易的，而且费用也不贵。这些设想是我们同一位朋友(也是我们以前的老师)Daniel Kleppner进行一系列讨论时提出来的(Kleppner是麻省理工学院正在尝试用氢来产生凝聚体的一个研究小组的共同负责人)。

我们关于碱金属原子的假想终于大获成功。就在我们用铷原子成功地制得凝聚体后几个月，麻省理工学院Wolfgang Ketterle的研究小组用钠原子制得了玻色凝聚体。自那以后，Ketterle的小组已成功地制得了有1千万个原子的凝聚体。到本文写作时为止，已有至少7个研究小组制出了凝聚体。其中，用铷原子来产生凝聚体的，除了我们自己的小组外，还有奥斯汀得克萨斯大学的Daniel J．Heinzen，德国康斯坦茨大学的Gerhard Rempe以及耶鲁大学的Mark Kasevich。用钠来产生凝聚体的，除了麻省理工学院的Ketterle外，还有马萨诸塞州坎布里奇罗兰科学研究所的Lene Vestergaard Hau领导的一个小组。莱斯大学的Randall G．Hulet则成功地用锂制得了凝聚体。

所有这些小组使用的都是同样的基本装置。正如任何一类致冷作用一样，对原子的冷却也需要一种方法来除去热量，同时使冷却了的试样与其周围的环境绝热。一个两步过程中的每一步都同时执行这两项功能。在第一步中，激光的力作用于原子上，它起着既使原子冷却，又使原子同周围环境绝热的作用。而在第二步中，我们用磁场来使原子绝热，同时通过蒸发使原子冷却。 

激光冷却与捕获

我们的装置的核心部分是一个其周围绕有线圈的小玻璃盒[见图1]。我们把玻璃盒中的空气全部抽出，使它实际上成了一个效率极高的热水瓶。然后我们注入微量的铷气体。6束激光在玻璃盒的中心相交，会聚于铷气体上。激光不一定要很强，因此我们使用廉价的半导体激光器(类似于CD机上所用的激光器)来产生激光。

我们对激光发射的频率进行调节，使原子吸收激光后又重新发射光子。一个原子每秒钟可以吸收并重新发射数百万的光子，每吸收一个光子都使原子受到一次极轻微的推动，其方向就是被吸收的光子的运动方向。这些推动作用称为辐射压力。激光冷却的诀窍就在于设法使原子主要吸收其运动方向与原子的运动方向相反的光子，从而使原子的速度逐渐放慢(换言之也就是使它冷下来)。为了实现这一任务，我们仔细地调节激光相对于原子所吸收的光的频率。

在这一装置中，我们不仅使用激光来冷却原子，也用激光来“捕集”原子，也就是不让原子接触玻璃盒的室温内壁。事实上，激光的这两项用途是类似的。对于捕集，我们使用辐射压力来抵消原子从玻璃盒中心逸出的倾向。一个弱磁场对原子的共振进行调谐，使其优先吸收指向玻璃盒中心的激光束的光子(读者应当记得有6束激光在玻璃盒中心相交。这些作用的净效果就是所有的原子都被推向一点，并且只通过激光的力而保持在这一点上。

这些方法在一分钟内就使我们的激光捕集收集到一千万个从玻璃室内的室温铷蒸气中俘获来的原子。这些捕集到的原子的温度为绝对零度以上百万分之四十度左右。按绝大多数标准来衡量，这一温度都是极低的，但它仍然比形成玻色—爱因斯坦凝聚体所需要的温度高出一百倍。在存在激光的情况下，原子不可避免地会受到单个光子的撞击从而引起随机的振动，因此其温度难于进一步下降，密度也难于进一步增大。

为了克服光子的随机碰撞造成的上述问题，我们此时关掉了激光束，启动冷却过程的第二阶段。这一阶段使用的基本方法是磁捕集和蒸发冷却技术，而该项技术是研究人员在试图用氢原子制出凝聚体的过程中开发出来的。磁捕集器利用了下述事实：每个原子的行为都犹如一个微小的条形磁铁，因此在置于磁场中时将受到力的作用[见图2]。只要仔细地控制磁场的形状并使它保持相当的强度，我们就可以用磁场来约束原子，使原子在磁场内运动，就好像球在一个深碗内到处滚来滚去一样。在蒸发冷却的过程中，能量最高的原子逃出这个磁碗。当它们逃逸出去时，它们带走的能量多于本应分摊的能量，因而使剩下的原子变得更冷。 

这里可以用冷却咖啡来做一个比喻，能量最高的水分子以蒸气的形式从杯子里逸出到室内空气中，从而降低了留在杯子中的液体的平均能量。与此同时，杯子中剩下的分子之间发生的无数次碰撞使剩下的能量在所有这些分子间分配。磁场捕集的原子形成的原子云，其密度比杯子中的水分子低得多。因此，我们在5年的时间里面临的主要实验问题，是如何让原子在与玻璃盒中残留的未捕集的室温原子发生碰撞从而逸出捕集阱之前，彼此间发生足够频繁的碰撞以分享能量。

这个问题是通过许多小的改进而不是一次突破来解决的。例如，在组装玻璃盒及与之相连接的真空泵时，我们极其谨慎地把每个部件清洗干净，因为我们手上的任何残渣，如果留在内表面上，都会产生破坏真空的蒸气。此外，我们也设法确保留在玻璃盒内的微量铷蒸气要尽可能地少，但同时又要提供足够数量的原子以充满光学捕集器。

像这样一些点滴改进确实起了作用，但我们仍然远远不能达到使蒸发冷却开始进行所需要的密度。基本的问题在于磁捕集器的效率。虽然构成约束性磁“碗”的磁场可以达到很大的强度，但每个原子内的微小“条形磁铁”却很弱。这一特点使得我们难于用磁场推动原子，即使原子运动得很慢(就像我们用激光冷却了的原子那样)。

1994年，我们终于需要建造一个使磁碗更窄、更深的磁捕集器。我们很快造出的一个窄而深的磁捕集器被证明是使铷原子通过蒸发冷却而进人凝聚态所需的最后一个要素。事实上，我们这个特殊的捕集器设计并不是唯一的方案。现在的情况是，有多少个研究小组在研究玻色—爱因斯坦凝聚体，差不多就有多少种磁捕集器设计方案。

“超级原子”的朦胧快照

我们怎么知道我们事实上已经制得了玻色—爱因斯坦凝聚体呢?为了观察冷却原子形成的云，我们用激光的闪光拍了一幅所谓“影子快照(shadow snapshot)。由于原子在冷却时沉到了磁碗的底部，冷的原子云是非常小的，不容易看到。为了使它变大，我们关掉约束磁场，使原子朝四面八方自由地飞散开。0.1秒后，我们用一束激光的闪光照亮这个现在已膨胀了的原子云。原子把光散射出光束，投下一个我们可以用摄像机观察到的阴影。根据这个阴影我们可以测定最初被捕集的原子云中原子的速度分布，对速度的测量也使我们得以知道试样的温度。

在速度分布图上，凝聚体显示为一个脊鳍状的峰。凝聚的原子具有最低的速度，因而在原子云膨胀开来后它们仍然留在原子云的中心形成密实的一团。这张凝聚体照片进一步证明了经典力学存在着问题，根据经典力学，“最低能量”意味着原子应当位于捕集器的中心，并且应当是静止的，这样它在我们的图象上就将显示为一个无限窄的高耸的尖峰。由于可以概括为海森堡不确定关系的量子效应的作用，实际的峰与这一经典概念并不相同。

不确定关系限制了我们对事物(包括原子)能了解些什么。对原子的位置知道得越准确，那么对原子的速度就知道得越不准确，反之亦然。这就是为什么凝聚体的峰不是无限窄的原因。如果这个峰是无限窄的，我们就将知道原子正好位于捕集器的中央，且其能量正好为零。根据不确定原理，我们不可能同时知道这两者。

爱因斯坦的理论要求凝聚体中的原子的能量尽可能低，而海森堡的不确定原理则不允许原子处于捕集器的底部上。量子力学解决了这一矛盾：根据量子力学，在任何容器中(包括我们的捕集器)，原子的能量只能取一组离散的允许值中的某个值，而这一组能量值中的最低一个并不完全为零。这个最低的允许能量称为零点能，因为即使是温度完全为零的原子也拥有一个最低能量。具有这一能量的原子在捕集器中心的附近——但不是完全在中心上——缓慢地运动。通常人们只有在亚微观物体(例如单个原子)或更小的物体中观察不确定原理或其它量子力学法则，因此，玻色—爱因斯坦凝聚体是不确定关系在宏观世界中起作用的一个罕见实例。

原子的玻色—爱因斯坦凝聚是非常新颖、非常与众不同的现象，因此我们现在很难说它的用处是否最终会超出演示量子力学这一范围之外。关于玻色—爱因斯坦凝聚体的实际用途的任何讨论必然只能是猜测性的。然而，可以用一个引人注目的物理类比来指引我们对这个问题的思考：构成玻色凝聚体的原子在很多方面类似于构成激光束的光子。

是精确控制的登峰造极吗?

激光束中的每一个光子，其运动方向、振动频率和振动相位都完全相同。这一性质使激光很容易得到精确控制，并使它在CD机、激光打印机和其它装置中获得广泛应用。类似地，玻色凝聚代表了精确控制的最终极限——不过是对原子而不是光子。玻色凝聚体的物质波可以被反射、聚焦、衍射以及进行频率调制和振幅调制等，这样一种控制极有可能使计时获得改进。现在世界上性能最好的时钟就已经是以激光冷却的原子的振荡为基础的。玻色凝聚也可能用于其它一些领域。人们甚至可以异想天开，想象把一束原子聚集于其直径只有百万分之一米的一点上，从而在集成电路上直接“喷”出晶体管。

但是眼下玻色—爱因斯坦凝聚体的许多性质仍然不为人所知。特别令人感兴趣的一个性质是此种凝聚体的粘性。现在人们猜想，粘性将会小到几乎消失的地步，使得玻色凝聚体成为一种“超级气体”。在这种气体中，波动和旋涡一旦被激发起来，就永远也不会衰减。另外一个引人好奇的领域集中在激光和凝聚体的基本差异这样一个问题上。激光束是非相互作用的——它们可以交叉而过，彼此间不发生任何影响。另一方面，玻色凝聚体在一定程度上能抵抗压缩，并具有某种弹性——简言之，它是一种流体。一种既是流体又是相干波的物质将显示丰富多彩的性质(这是物理学家的说法，意思是需要花很长一段时间才能把它搞清。)

与此同时，许多研究小组开始对凝聚体进行各种各样的测量。在一项令人愉快的实验中，Ketterle的研究小组已经证明了当两个单独的玻色凝聚原子云重叠时，其结果是出现由交替的相长干涉和相消干涉组成的条纹图案，正象使激光辐射相交时所出现的情况那样。在原子云中，这些区域分别表现为高密度和低密度的条纹。我们的研究小组则考察了原子间的相互作用如何使原子云的形状发生畸变，同时考察了我们用磁场轻轻“拨弄”一下原子云后它抖动的方式。其它许多研究小组正在设计他们自己的实验方案以加入到这项研究中来。

今后几年中，随着这些实验以及其它一些实验的结果逐渐积累起来，我们对这一奇特物质形态的认识将进一步加深。而随着这一认识的进展，奇异而引入人胜的量子世界将又向我们自己的世界靠拢一步。