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第310章 所有的原子突然聚集在一种尽可能低的能量状态究竟要“干”什么

爱因斯坦的预言:从预言到实现用了70年

20世纪初,在黑体辐射和光电效应的研究中诞生了量子概念——电磁辐射的吸收与发射是以不连续即量子的方式进行的,光的量子被称为光子。1924年印度物理学家玻色提出黑体辐射是光子理想气体的观点,他研究了“光子在各能级上的分布”问题,以不同于普朗克的方式推导出普朗克黑体辐射公式。他将这一结果寄给爱因斯坦,请其翻译成德文并在德国发表。

爱因斯坦意识到玻色工作的重要性,立即着手对这一问题进行研究。他于1924年和1925年发表两篇文章,将玻色对光子的统计方法推广到某类原子,并预言当这类原子的温度足够低时,所有的原子就会突然聚集在一种尽可能低的能量状态,这就是“玻色—爱因斯坦凝聚”。玻色和爱因斯坦所采用的统计方法后来被称为玻色—爱因斯坦统计,而服从这种统计的粒子被统称为玻色子。

然而,在很长一段时间里,没有任何物理系统被认为与玻色—爱因斯坦凝聚现象有关。直到1938年,伦敦提出低温下液氦的超流现象(液体失去粘滞性)可能是氦原子玻色凝聚的体现,玻色—爱因斯坦凝聚才真正引起物理学界的重视。

1911年昂内斯发现某些金属在足够低的温度下,将变为超导体即它的电阻为零。虽然超导体中的电子并不服从玻色理论。爱因斯坦统计,但在某种机制下,电子与电子可以形成电子对,而电子对则可以被看成是玻色子,电子对的玻色—爱因斯坦凝聚被认为是超导电性的根源。

由于对超导电性理论的贡献,巴丁、库珀和施里弗获得了1972年诺贝尔物理学奖。除了用于解释超流和超导外,玻色—爱因斯坦凝聚这一概念已经扩展到物理学的很多领域,如半导体物理学、天体物理学以及基本粒子物理学等。虽然超流和超导等都显示了玻色—爱因斯坦凝聚现象的存在。但这些系统都很复杂,凝聚现象只部分地发生在这些系统中,系统中的强相互作用也趋于隐藏玻色—爱因斯坦凝聚现象,理论和实验的定量比较困难。

在20世纪50年代,物理学家发展了很多弱相互作用玻色系统的理论,华人物理学家杨振宁、李政道和黄克逊在这方面做了很出色的工作。可这些理论在1995年之前都没有得到很好的验证。因此,在气体中实现玻色—爱因斯坦凝聚成为物理学家长期的梦想。