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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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