逼近绝对零度 改写低温记录
创造世界最低温度记录
日前，在麻省理工学院，一个由德国、美国、奥地利等国科学家组成的国际科研小组改写了人类创造的最低温度纪录。他们在实验室内达到了仅仅比绝对零度高0.5纳开尔文的温度，而此前的纪录是比绝对零度高3纳开。这是人类历史上首次达到绝对零度以上1纳开以内的极端低温。该研究结果发表在2003年9月12日出版的《科学》杂志上。
开尔文是热力学温度单位，简称“开”，1开相当于1摄氏度，1纳开等于十亿分之一开尔文。0开即绝对零度，是温度的极限，相当于零下273.15摄氏度，在绝对零度时，由于冷却过程将所有的粒子能量都吸收掉，所有的原子运动都将停止。室温下，原子的运动速度与喷气式飞机相当。但在新的低温纪录下，原子每分钟的运行距离不足一英寸。
图为玻色爱因斯坦凝聚
在低温下，粒子的特性与常温不同。获得超低温度，有利于科学家进一步了解粒子的特性，并为基本物理学提供新的理解。研究人员希望在这个低温下能够观测到更多前所未有的物理现象，如低温下原子表面如何相互作用，原子被限定在狭小的通道或者隔层中如何运动等。该研究中的低温气体形成一种被称为量子流体的物质形态。这个科研小组在《科学》杂志上发表论文介绍说，他们是在利用一种被称为“磁陷阱”（Trap）技术实现铯原子的玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensation，简称BEC）的实验过程中创造这——纪录的。
BEC缘自一个伟大的预言
BEC是物质的一种奇特的状态。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，印度物理学家玻色（Satyendra Nath Bose）对光粒子进行了这方面的理论研究，并把重要的研究结果告诉了爱因斯坦（Albert Einstein）。在将玻色的理论推广到了对特定原子的研究领域后，爱因斯坦在1925年预言，如果将某些原子气体冷却到足够低的温度，那么所有原子会突然以可能的最低能态凝聚，它们将会像听从口令的士兵一样，编排成步调一致的整齐行列。一团混乱的气态物质，将会在顷刻之间转换成高度有序的物质状态，物质的这一状态后被称为玻色-爱因斯坦凝聚。
要设想出玻色-爱因斯坦凝聚的具体状态，首先需要了解一点背景知识。在中学物理课中，我们就学到过爱因斯坦提出的光的波粒二象性，它指的是光即作为光波存在，同时又由光粒子组成。20世纪20年代，诺贝尔物理学奖获得者、著名物理学家德布罗意（Louis de Broglie）提出，微粒子也具有波粒二象性。这两者和“测不准原理”构成了量子力学的基础。理论和定义听上去枯燥而略带莫名其妙，然而当运用一下我们的想象力时，一切却可能变得相当简单。在微粒子的世界中，每个微粒子都如同身处纽约繁华街道上的匆忙行人，以每秒几百米的速度向各方向杂乱无章地运动。当温度降低时，这些粒子的运动会减慢，呈现为频率不一的“波”。粒子越轻、运动越慢，它们的德布罗意波长就越长。在冷气体中，如果粒子彼此之间的距离足够近，它们的波长就会开始交迭，然后，各个粒子的波汇成了一个波，所有的粒子都以同一种频率运动。这有点像乐队中的众多乐器，各自奏出不同的音色和音调，但在热身练习之后，它们就都以同一音调演奏。这些谐振粒子当然不是固体，不是液体，但又有别于传统上的气体状态，这是一种全新的物质状态，它就是玻色-爱因斯坦凝聚。
在物理学领域，向来知易行难。在玻色-爱因斯坦凝聚概念提出的几十年中，物理学家为实现它付出了不懈努力，一直到90年代中后期，实验手段的进步才为它的实现提供了可能性。研究者们首先必须克服的一个困难是避免常规的凝聚出现，就像水蒸气冷却后凝结为水一样。为了实现这一目的，必须使气体非常之冷，从而使粒子移动极为缓慢，德布罗意波长相当长。而且，气体还必须保持稀薄，从而使粒子可以彼此分开。使用激光可以有效地冷却气体，此外，可以设置“磁阱”，用光和磁的力量将冷原子聚集在一个微小的原子云团中。
1990年左右，美国科罗拉多州立大学的物理学教授卡尔 · E · 维曼（C. E. Wieman，见上图）曾提出，在激光冷却之后，应当停止光照并对磁阱中的粒子进行蒸发冷却。在实验中，充满冷原子的磁阱的边缘被降低，运动速度最快的那些粒子逃逸出去，这情景有些像是一杯滚烫的咖啡——热气袅然散去后，留在杯子里的，便是精华的咖啡——在这里，它们就是宝贵的冷原子。尽管维曼的设想使BEC朝现实迈出了一大步，但直到就职于美国国家标准局（NIST）的埃里克 · A · 康奈尔（E. A. Cornel）加入他的实验小组，成为BEC项目的合作者，实质性的突破才真正到来。康奈尔用旋转磁阱磁场的方式，解决了一直困扰维曼的原子从磁阱中心逸出的问题。1995年6月，他们使用铷（rubidium）原子气体在高于绝对零度0.00000002度的温度下实现了玻色-爱因斯坦凝聚，几千个铷原子在他们的实验室中终于得以“齐声歌唱”。
成功接踵而来，4个月后，1990年才进入麻省理工学院（MTT）独立进行相关研究的德国物理学家沃尔夫冈 · 克特勒（W. Ketterle）使用钠（sodium）原子气体也实现了玻色-爱因斯坦凝聚。人们终于揭开前所未见的新的物质形态——玻色-爱因斯坦凝聚的神秘面纱。可以毫不夸张地说，它的动人娇容，使人们为之心醉；而其绝代风姿，更使科学家为之“震慑"！这三位科学家也因此而荣膺2001年度诺贝尔物理学奖。目前，世界上已有近30个研究小组在稀薄原子气中实现了玻色-爱因斯坦凝聚。2002年3月19日，中科院上海光机所量子光学重点实验室王育竹院士等科学家历时3年，在铷原子蒸气中观察到了玻色-爱因斯坦凝聚。玻色-爱因斯坦凝聚的实现为我国的实验物理学提供了一种独一无二的新介质，也使中国成为步入世界物理学前沿领域的少数几个国家之一。
梦幻般的新物质形态
图为用于低温物理实验的仪器1
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。而华裔物理学家朱棣文曾因发展出激光冷却和磁阱技术这一有效的制冷方法而与另两位科学家分享了1997年的诺贝尔物理学奖。
图为用于低温物理实验的仪器2
那么，玻色-爱因斯坦凝聚到底是怎样的一种物质形态？它的特殊意义又在哪里？在国际科研小组创造0.5纳开世界最低温度纪录之前，物理学家已经在极为接近绝对零度的条件下使铷原子气体实现了玻色-爱因斯坦凝聚。在该凝聚态下，所有的原子都具有同一个状态，并且原子可以无阻力地自由移动，这被称为“超流体”。德国物理学家利用6束激光形成了一种干涉图样，相当于一系列的能量“山峰”和“山谷”，然后将凝聚态下的铷原子气体放置其中。结果发现，由于超流动状态，最初铷原子可以轻易地在山地中移动；但当增加激光能量时，铷原子突然失去“自由”，被困在了能量“山谷”中而呈现绝缘态，即在这种状态下每一个“山谷"中的原子数目都是可以确定的。科学家们还发现从超流体态到绝缘态的这一转换过程是可逆的。
科学家们解释说，激光束构成了一个如同具有整齐统一布局的地形，能量高的“山峰”与能量低的“山谷”逐一相间地排列在三维空间中。最初超流体态下，原子可以从一个“山谷”移动到另外一个“山谷”，并且无法确定每个“山谷”中原子的数目；但当增加激光能量时，“山峰”的高度为之改变，而此时原子都被束缚在“山谷”中，并且此时每一个“山：谷”中的原子数量都可以精确测定，即铷原子气体呈绝缘态。通过改变激光能量调整能量“山峰”的高度，可以使铷原子在这两种状态中实现可逆转换。打个比方说，如果将一群原子以一群人来表示，那么进入玻色-爱因斯坦凝聚态则意味着这群人同时成为了训练有素的士兵，具有共同良好的军事素质；超流体态如同大军开拔，可以迅速南征北战；而绝缘态则表示大军驻扎，各自休养生息。德国科学家的成果，则犹如找到了控制这支大军行动的指挥棒，可以通过宏观行为（改变激光能量）实现微观世界对原子的控制（大军开拔或驻扎）。
开创低温物理研究新天地
国际研究小组的共同主持人之一大卫 · 普里查德（David E. Prichard）介绍说，将气体冷却到极端接近绝对零度的条件对于精确测量具有重要意义，此次实验成果有助于制造更为精确的原子钟和更为精确的测定重力等。低温物理是在低温条件下研究物质的物理性质，研究物质中电子、原子、原子核、分子之间的相互作用及运动规律的学科，是凝聚态物理学中的一个重要领域。在极低温下，物质中的热运动被减至极低的程度，物质处在能量的基态或低能激发态，量子力学的现象尤为突出。从这种意义上，也可以说低温物理是凝聚态物质能量量子化的物理学。当今凝聚态物理基础研究的重大热点问题，许多都以低温物理的研究作为基础。例如，高温超导机理研究中的一些基本问题：元激发相互作用的性质，是否进入玻色凝聚态等；介观尺度物理研究中的量子相干效应，纳米物质中的量子尺寸效应、声子表面模效应等，只有在很低温度下才能突出地显现出来。由于低温物理学的上述独特性质，它已成为物理学中非常重要而且成果最为丰富的一个分支。专家认为，低温物理在各个研究领域都必不可少，许多重要物理规律的研究都要在低温下进行。
玻色-爱因斯坦凝聚态所具有的奇特性质，使它不仅对基础研究有重要意义，而且在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都让人看到了非常美好的应用前景。凝聚态中的原子几乎不动，可以用来设计精确度更高的原子钟，以应用于太空航行和精确定位等。凝聚体具有很好相干性，可以用于研制高精度的原子干涉仪，测量各种势场，测量重力场加速度和加速度的变化等。原子激光也可能用于集成电路的制造，大大提高集成电路的密度，因此将大大提高电脑芯片的运算速度。凝聚体还被建议用于量子信息的处理，为量子计算机的研究提供另外一种选择。