埃里克 · 科内尔（Eric Cornell）是一位物理学家。他现在就职于美国科罗拉多州布特市的国家标准和工业技术研究所。他说，在他和他的同事们把一种新的物质形态引进到这个行星上以后的最初几天内，他们的成就没有得到广泛的认可。他还说，我确实感受到了某种沉默。我整整度过了3个不眠之夜，一直在思考这件事。

在6月5日早上发生的事情是，科内尔和他的同事卡尔 · 威曼——一位科罗拉多大学的物理学家经过努力，创造出气体的某种物质形态，它一直被人们看作是一种玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）。这种气体如此地稠密和如此地“寒冷”——它处于180毫微开的温度（绝对零度以上十亿分之一度），以至原子会变得接近于静止不动。当它们减缓运动速度以达到某种停止状态时，描述每个原子的量子力学波就开始扩散开去并且互相迭加，一直到整个气体被“锁定”在相同的量子态上为止。事实上，原子失去了它们分立的本性而变成一个整体。玻色-爱因斯坦凝聚态相对于通常物质就好像激光光束相对于普通光束 :这是一种相干态，处于这种状态下，通常的量子力学微观定律支配着一个宏观系统的行为。寻找这些在大尺度上起作用的、带有预兆的定律的可能性一直激励着人们通过在磁力或光线的操纵盒中捕捉和冷却原子的方式进行了15年的探索以创造出这种神秘的物质形态。当科内尔和威曼摄下了一个微小的、处于捕捉区中心的铷原子的结点时，他们的成就得到了证实，正是这样的成就最终打开了实现那些希望的道路。

他们取得的成就也解开了多年来一些令人烦恼的疑问。科内尔认为，当自然界一直挫败着人们为达到玻色-爱因斯坦凝聚态而作出的种种独创性的方案时，人们就会怀疑是否有某些理由表明，玻色凝聚态根本就不是像人们所想象的那样。例如，最近几年的最有希望的冷却方式总是由于来自捕获区正中央的极端“寒冷”的原子发生了小小的泄漏而以失败告终。科内尔和他的研究生们终于找到了一种方法来堵住这个泄漏，从而回答了人们的疑问，麻省理工学院的原子物理学家丹 · 克莱珀纳说：“这是一个特别令人注目的发现。它终于使人们松了一口气。首例的证明是绝对清楚和令人信服的，几乎像在一本教科书中表述的那样。”

70年前，爱因斯坦基于印度物理学家玻色的研究第一次预言了物质的这种新形态，从此它一直成为人们探索的目标，这种物质形态可能是有什么特性，或者它们看起来会像什么物质，当时不但爱因斯坦本人还是他的后继者都不能确切地给出回答。但是，研究这种物质新形态的前景是如此地激动人心以至从此以后捕获原子和冷却原子的技术成为有力的、足以使玻色-爱因斯坦凝聚态得以实现的手段。

每个研究小组都有自己拿手的技术，甚至偏爱的材料——氢原子或者所谓碱金属例如钠和铷原子——但是每个实验最后却都建立在它们对手成功的基础上，在这个领域内的每个人最终却同时或不同时地来到克莱珀纳的实验室或他以前的学生戴维 · 普里查德的实验室。

例如，威曼在他相继进入斯坦福大学和1984年进入科罗拉多大学以前，作为麻省理工学院的一名本科生就曾与克莱珀纳在一起工作了2年之久。克拉珀纳为了探索玻色-爱因斯坦凝聚态而采取的方案是先使氢原子“冷冻”，然后在磁场中捕获它们，再使比较“热”的原子飞出捕获区，留下比较“冷”的原子——这种技术被称为蒸发冷却。早在去年，这个方案就似乎使得克拉珀纳和他在麻省理工学院的同事们在获得玻色-爱因斯坦凝聚态在竞争中处于领先地位。

但是，威曼在科罗拉多采取了被称激光冷却的一种有竞争力的技术，这种技术利用碱原子运行得非常成功。激光冷却用光子轰击原子，与克拉珀纳的冷却装置相比，这种技术成本较低，装置也比较简单。激光被调制到一个较低的频率上，当原子处于静止不动时，激光不能被原子所吸收。但是，一旦原子朝向激光运动时，被原子遇到的光的频率是多普勒偏移的增大。光子撞击目标，从而使原子减速，达到冷却。

虽然激光冷却可以达到小于一百万分之一开的绝对温度，这个温度甚至比克拉珀纳和他的同事们对氢原子取得的温度更低，但是激光冷却还不能达到克拉珀纳所已经得到的密度，因为多重冷却或更高的密度（或两者都具备）对于玻色-爱因斯坦凝聚态是完全必要的。然而，威曼找到了一种解决的方案：如果他首先对铆原子实行激光冷却，然而仿照克拉珀纳和他的同事们对氢原子所做的那样行蒸发冷却，那么，他就可能达到上面提到的临界温度。当1990年科内尔参加到这个研究小组来时，他们就开始实现这个方案。

为了实现这些冷却技术的组合，他们把已经被激光冷却到大约十万分之几开绝对温度的原子转变到一个磁捕获区中。所有沿同一方向排列的原子提供了原子的磁轴，捕获区可以把这些原子约束在一个“四极”磁场中，这个磁场在捕获区边缘很强，而在中心区则下降到接近零场。最“热”的、最快的原子允许逃逸，从面留下了较“冷”的原子。在实现这个策略并通过其他五个因素冷却原子的同时，原子就在中心区形成团簇，并增强了它们的密度。

这是令人鼓舞的消息。但是，一年前在九州的一次会议上，科罗拉多研究小组和其他实现这种组合莱略的科学家们却面临着令人沮丧的消息：在捕获区中心存在少量零场。最“冷”的原子的确如预见的那样在中心区形成团簇，但是，由于中心区没有任何磁场使原子排列起来，它们就会泄漏出去，从而使研究人员在达到玻色-爱因斯坦凝聚态的密度——温度阈值上还相差4个数量级。

凯特勒提出了一种解决途径：其目的在于使处于零点的激光束排斥任何接近它的原子。凯特勒的激光插入捕获虽然可以运行起来，但是不如科内尔建议的想法更有效，或者至少不如科内尔的方案迅速。

科内尔把一个二级磁场附加到已经存在的捕获区上，它使零点围绕在一个圆周上旋转，正因为如此，他和威曼把这个结果称为“陀螺式捕获”。威曼说：“陀螺式捕获逮住了零场点，并且使它从中心区移开，沿圆周旋转。这样就能得到一根‘死亡’的轨道。当原子被冷却到足以逗留在中心并且无法逃脱到这根‘死亡’的轨道上时，它们就永远处在中心区，人们就可以继续使原子冷却”。

到了5月底，虽然研究人员对于能够获得为产生出玻色-爱因斯坦凝聚态所需要的温度和密度充满信心，但是，他们尚未确定的是，如果得到了这样的温度和密度，人们怎样才能“看到”这种凝聚态。玻色凝聚态包含着几千个原子，它们共存于一个直径为10微米的小球内，这个尺度是如此地微小，以至研究人员无法“看到”原子的速度是怎样降落到玻色-爱因斯坦凝聚态的能级上的。威曼说：“我们能‘看到’的一切就是一个模糊不清的小斑点”。

解决的途径是研究人员称之为“弹道式扩展”的方法：他们先打开捕获区，使原子自由地飞出。科内尔说：“过了一会儿，云雾状的斑点逐渐变大，我们就可以运用激光拍下云雾的相片”。他还说，这个扩展着的云雾的结构可能揭示出在捕获区被打开以前初始云雾区内的速度分布。较“热”的原子将向外扩散，而在中心区，原子的密度将急剧增高。这些原子就是在捕获区被打开之前一直存在着的玻色-爱因斯坦凝聚态的残留遗迹。

不管怎么说，这也是一种理论。6月5日，所预料的密度峰值出现在实验人员的显示屏上。科内尔说，这个结果与我们告诉人们的结果非常接近，以至于它应该被看作就是我们一开始就猜测到的结果。如今，他的疑问已烟消云散。当有人问起，他和他的同事们是否会有失误时，科内尔说，我希望没有。因为这些数据非常“干净”，我们在得到一个微弱的效应时，并不是对300个小时的数据进行平均而得到的。我们很高兴地说服自己，我们已经看到了我们希望看到的东西。

的确，正是首批映像看起来已经消除了人们关于玻色-爱因斯坦凝聚态可能像什么的理论上的疑惑。威曼认为，对开创者而言，只花了几秒钟就能形成这些图像，因此在它背后一定存在着某些令人感兴趣的物理。然而关于玻色-爱因斯坦凝聚态的一个最有吸引力的问题依然存在：它究竟看起来像什么？

虽然与通常物质的相互作用比较，光波与那些自身波函数已经组合在一起的原子的相互作用更显得与众不同，但是，关于这个结果的理论家的预言附带着对清晰度、暗黑度和银色光泽度的某些选择已经遍布到整个映像上。威曼说，我们采取在没有“看到”之前把物质扩散开去的方式已经使结果得到了澄清。但是，现在在它扩展以前，人们已经可以很容易地用激光去照射它们从而“看到”所发生的一切。

然而，这仅仅是深入研究的一个开端。威曼说，玻色-爱因斯坦凝聚态的上千个原子是很大的集合体，我们还可以使它变得更大些。然后，我们将会具有整个一束操纵按钮来探测新的材料。

科内尔和威曼都不是从事这项研究的仅有的少数研究者。或许还有6个实验已经接近于产生一个玻色-爱因斯坦凝聚态，而其他的研究小组有可能与他们联合起来。耗费了约5万美元用于硬件设备，再加上几个月的辛勤工作，威曼和科内尔的仪器装置从现代物理学的标准来衡量居然在造价上令人吃惊地低廉。威曼认为，我们努力工作推进这种正在使用的，造价低廉又十分简单的技术。如果它实际上行得通，这必将开创出一个新的领域。

[Science，1995年7月14日]