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发信人: ansatz (安则), 信区: Science
标  题: 玻色-爱因斯坦凝聚
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年12月30日22:59:32 星期天), 站内信件


玻色-爱因斯坦凝聚
 ——2001年度Nobel物理学奖简介

    Odd Genius    

  诺贝尔奖自1901年颁发以来,一直是世人所公认的最高荣誉奖项。
在它的六个奖项中,物理学、化学和医学(或生理学)奖尤为引人注
目。下面仅就自己所熟知的领域谈谈物理学奖的概况。今年是诺贝尔
奖颁发百年纪念,因此这次物理学奖的颁发被人们认为有着特殊的意
义,Nature、Science以及各种媒体都先后聚焦于10月9日。美国麻省理
工学院(MIT)的Wolfgang Ketterle和科罗拉多大学JILA研究所的Carl
Wieman,Eric Cornell因实验上实现玻色-爱因斯坦凝聚(简称BEC)
现象而分享了本年度诺贝尔物理学奖。

  
      三位获奖者,从左至右分别为Ketterle, Cornell和Wieman 

  BEC是物质的一种奇特的状态,处于这种状态的大量原子的行为
像单个粒子一样。打个比方,练兵场上的士兵刚解散不久,突然指挥
官发令“向东齐步走”,于是所有的士兵像一个士兵一样整齐的向东
走去。如果将士兵缩小到原子尺度,以至于分辨不出谁是谁,我们便
看到了“BEC”。那为什么冠以玻色-爱因斯坦的名字呢?有这样一
段插曲。

  1924年,年轻的印度物理学家玻色寄给爱因斯坦一篇论文,提出
了一种新的统计理论,它与传统的统计理论仅在一条基本假定上不同。
传统统计理论假定一个体系中所有的原子(或分子)都是可以辨别的,
我们可以给一个原子取名张三,另一个取名李四……,并且不会将张
三认成李四,也不会将李四认成张三。基于这一假定的传统理论圆满
地解释了理想气体定律,可以说取得了非凡的成功。然而玻色却挑战
了上面的假定,认为在原子尺度上我们根本不可能区分两个同类原子
(如两个氧原子)有什么不同。接着,玻色讨论了如下一个问题(这
个问题所有高中生都做过):将N个相同的小球放进M个标号为1,2,…,
M的箱子中,假定箱子的容积足够大,有多少种不同的放法?在此问
题的基础上,采用传统统计相似的作法,玻色便得到了一套新的统计
理论。

  玻色的论文引起了爱因斯坦的高度重视,迅速帮玻色译成德文发
表。随后将玻色的理论用于原子气体中,进而推测在足够低的温度下,
所有原子有可能处在相同的最低能态上,所有的原子的行为像一个粒
子一样。后来物理界将这种现象称为玻色-爱因斯坦凝聚。值得注意
的是,这里的“凝聚”与日常生活中的凝聚不同,它表示原来不同状
态的原子突然“凝聚”到同一状态。

  爱因斯坦的预测引起了实验物理学家的广泛兴趣。然而实现BEC
的条件极为苛刻和“矛盾”:一方面希望达到极低的温度,另一方面
还要求原子体系处于气态。实现低温的传统手段是蒸发制冷;而朱棣
文、Cohen-Tannoudj和Phillips发展的激光冷却和磁阱技术是另一种有效
的制冷方法,他们三人因此分享了1997年度诺贝尔物理学奖。1976年,
Nosanow和Stwalley证明在任意低温下处于自旋极化的氢原子始终能保
持气态,则为实现第二个要求提供了希望。

  但遗憾的是,众多的实验物理学家将自旋极化的氢原子气体降温,
并未观察到BEC现象。于是Wieman和Cornell开始将兴趣转向碱金属原
子气体,1995年,他们将铷原子限制在磁阱中进行激光冷却首次成功
的观察到原子气的BEC现象。同年,MIT的Ketterle也在钠原子气中实
现了BEC。BEC的实现不仅在基础研究方面具有重大意义,还可能在
“原子芯片”和量子计算机等方面有广泛的应用前景。因此今年的诺
贝尔l物理学奖授予Wieman、Cornell和Ketterle以表彰他们在BEC实验
方面的开创性工作。

 
     Ketterle在纳原子气中实现的BEC,图片引自MIT的BEC网页 

  从实现BEC的历程来看,有以下两个必备的客观条件:首先是理
论准备(玻色和爱因斯坦的工作),其次是实验手段的进步(朱棣文
等人的工作)。剩下的就是个人的素质了,要有眼光,走对路(Wieman、
Cornell和Ketterle选择碱金属原子气体作为冷却的对象)。这样看来,
诺贝尔物理学奖似乎不是什么神秘的东西。因此有人就会问为什么中
国内地就没有出现诺贝尔奖呢?下面谈谈我的个人看法。

  诺贝尔物理学奖的宗旨是:“奖给在物理学领域内作出最重要的
发现或发明的人”。从这一宗旨来看,目前内地的实验条件远远达不
到产生诺贝尔(实验)奖项的条件,在理论工作领域出现突破可能相
对容易一些,但这些突破必须是重大的原始创新,它实质上是科学气
氛于科学精神的产物,以下条件是必不可少的:

  思想开放,不迷信权威。创新就是要打破某些已有的定论,因循
守旧,盲从权威是不可能有所创新的。中国的知识分子经历了太多的
苦难以及封建思想的残余,以至于思想里保守成分多,权威意识过强,
传统教育中以循规蹈矩为优等等都不利于创新。

  科学文化的沉淀。任何重大创新不是凭空冒出来的,创新必须以
继承已有的优秀科学成果和思想方法为前提,这种科学文化需要长时
间的积累。而中国内地真正科学文化的萌芽起于1919年的五四运动,
后来又受文革的严重冲击,因此真正的科学文化沉淀也就20来年时间,
比起西方三四百年简直是小菜。

  热情奔放而又执著追求科学的年轻人。据中科院2001年科学发展
报告统计,诺贝尔物理学奖得主作出代表性工作的平均年龄为36岁,
他们从很小就开始对物理学感兴趣并一直钟爱着物理学。他们能如此
执著,一方面是经济条件还不错,更重要的是他们从小所受的教育是
以充分发挥自己的个性为主。而内地的教育更乐意将学生培养成标准
的螺丝钉,学生本人则很少有太多的想法和目标,在经济大潮的影响
下立刻便沉到“海”里去了。

  总之,诺贝尔物理学奖是在继承前人优秀的成果基础上的重大创
新,目前中国内地并不具备上述创新的条件。但值得庆幸的是,自改
革开放以来,思想界也有所解放,国家对科学重视程度提高,国际交
流与合作也日益广泛和深入,我想经过漫长时间的努力,中国大陆有
望出现诺贝尔物理学奖。

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※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: g412.iphy.ac.cn]
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