玻愛凝聚態
玻愛凝聚態 如果物質不斷冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷下去,比如說,接近絕對零度(-273.16℃)吧,在這樣的極低溫下,物質又會出現什麼奇異的狀態呢?
這時,奇蹟出現了——所有的原子似乎都變成了同一個原子,再也分不出你我他了!這就是物質第五態——玻色-愛因斯坦凝聚態(以下簡稱“玻愛凝聚態”).
這個新的第五態的發現還得從1924年說起,那一年,年輕的印度物理學家玻色寄給愛因斯坦一篇論文,提出了一種關於原子的新的理論,在傳統理論中,人們假定一個體系中所有的原子(或分子)都是可以辨別的,我們可以給一個原子取名張三,另一個取名李四……,並且不會將張三認成李四,也不會將李四認成張三.然而玻色卻挑戰了上面的假定,認為在原子尺度上我們根本不可能區分兩個同類原子(如兩個氧原子)有什麼不同.
玻色的論文引起了愛因斯坦的高度重視,他將玻色的理論用於原子氣體中,進而推測,在正常溫度下,原子可以處於任何一個能級(能級是指原子的能量像臺階一樣從低到高排列),但在非常低的溫度下,大部分原子會突然跌落到最低的能級上,就好像一座突然坍塌的大樓一樣.處於這種狀態的大量原子的行為像一個大超級原子.打個比方,練兵場上散亂計程車兵突然接到指揮官的命令“向前齊步走”,於是他們迅速集合起來,像一個士兵一樣整齊地向前走去.後來物理界將物質的這一狀態稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC),它表示原來不同狀態的原子突然“凝聚”到同一狀態.這就是嶄新的玻愛凝聚態.
然而,實現玻愛凝聚態的條件極為苛刻和矛盾：一方面需要達到極低的溫度,另一方面還需要原子體系處於氣態.極低溫下的物質如何能保持氣態呢?這實在令無數科學家頭疼不已.
後來物理學家使用稀薄的金屬原子氣體,金屬原子氣體有一個很好的特性：不會因製冷出現液態,更不會高度聚集形成常規的固體.實驗物件找到了,下一步就是創造出可以冷卻到足夠低溫度的條件.由於鐳射冷卻技術的發展,人們可以製造出與絕對零度僅僅相差十億分之一度的低溫.並且利用電磁操縱的磁阱技術可以對任意金屬物體實行無觸移動.這樣的實驗系統經過不斷改進,終於在玻色—愛因斯坦凝聚理論提出71年之後的1995年6月,兩名美國科學家康奈爾、維曼以及德國科學家克特勒分別在銣原子蒸氣中第一次直接觀測到了玻愛凝聚態.這三位科學家也因此而榮膺2001年度諾貝爾物理學獎.此後,這個領域經歷著爆發性的發展,目前世界上己有近30個研究組在稀薄原子氣中實現了玻愛凝聚態.
玻愛凝聚態有很多奇特的性質,請看以下幾個方面：
這些原子組成的集體步調非常一致,因此內部沒有任何阻力.鐳射就是光子的玻愛凝聚,在一束細小的鐳射裡擁擠著非常多的顏色和方向一致的光子流.超導和超流也都是玻愛凝聚的結果.
玻愛凝聚態的凝聚效應可以形成一束沿一定方向傳播的宏觀電子對波,這種波帶電,傳播中形成一束宏觀電流而無需電壓.
原子凝聚體中的原子幾乎不動,可以用來設計精確度更高的原子鐘,以應用於太空航行和精確定位等.
玻愛凝聚態的原子物質表現出了光子一樣的特性正是利用這種特性,前年哈佛大學的兩個研究小組用玻色-愛因斯坦凝聚體使光的速度降為零,將光儲存了起來.
玻愛凝聚態的研究也可以延伸到其他領域,例如,利用磁場調控原子之間的相互作用,可以在物質第五態中產生類似於超新星爆發的現象,甚至還可以用玻色-愛因斯坦凝聚體來模擬黑洞.
隨著對玻愛凝聚態研究的深入,又一次徹底的技術革命的號角已經吹響.
玻愛凝聚態
玻愛凝聚態 如果物質不斷冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷下去,比如說,接近絕對零度(-273.16℃)吧,在這樣的極低溫下,物質又會出現什麼奇異的狀態呢?
這時,奇蹟出現了——所有的原子似乎都變成了同一個原子,再也分不出你我他了!這就是物質第五態——玻色-愛因斯坦凝聚態(以下簡稱“玻愛凝聚態”).
這個新的第五態的發現還得從1924年說起,那一年,年輕的印度物理學家玻色寄給愛因斯坦一篇論文,提出了一種關於原子的新的理論,在傳統理論中,人們假定一個體系中所有的原子(或分子)都是可以辨別的,我們可以給一個原子取名張三,另一個取名李四……,並且不會將張三認成李四,也不會將李四認成張三.然而玻色卻挑戰了上面的假定,認為在原子尺度上我們根本不可能區分兩個同類原子(如兩個氧原子)有什麼不同.
玻色的論文引起了愛因斯坦的高度重視,他將玻色的理論用於原子氣體中,進而推測,在正常溫度下,原子可以處於任何一個能級(能級是指原子的能量像臺階一樣從低到高排列),但在非常低的溫度下,大部分原子會突然跌落到最低的能級上,就好像一座突然坍塌的大樓一樣.處於這種狀態的大量原子的行為像一個大超級原子.打個比方,練兵場上散亂計程車兵突然接到指揮官的命令“向前齊步走”,於是他們迅速集合起來,像一個士兵一樣整齊地向前走去.後來物理界將物質的這一狀態稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(BEC),它表示原來不同狀態的原子突然“凝聚”到同一狀態.這就是嶄新的玻愛凝聚態.
然而,實現玻愛凝聚態的條件極為苛刻和矛盾：一方面需要達到極低的溫度,另一方面還需要原子體系處於氣態.極低溫下的物質如何能保持氣態呢?這實在令無數科學家頭疼不已.
後來物理學家使用稀薄的金屬原子氣體,金屬原子氣體有一個很好的特性：不會因製冷出現液態,更不會高度聚集形成常規的固體.實驗物件找到了,下一步就是創造出可以冷卻到足夠低溫度的條件.由於鐳射冷卻技術的發展,人們可以製造出與絕對零度僅僅相差十億分之一度的低溫.並且利用電磁操縱的磁阱技術可以對任意金屬物體實行無觸移動.這樣的實驗系統經過不斷改進,終於在玻色—愛因斯坦凝聚理論提出71年之後的1995年6月,兩名美國科學家康奈爾、維曼以及德國科學家克特勒分別在銣原子蒸氣中第一次直接觀測到了玻愛凝聚態.這三位科學家也因此而榮膺2001年度諾貝爾物理學獎.此後,這個領域經歷著爆發性的發展,目前世界上己有近30個研究組在稀薄原子氣中實現了玻愛凝聚態.
玻愛凝聚態有很多奇特的性質,請看以下幾個方面：
這些原子組成的集體步調非常一致,因此內部沒有任何阻力.鐳射就是光子的玻愛凝聚,在一束細小的鐳射裡擁擠著非常多的顏色和方向一致的光子流.超導和超流也都是玻愛凝聚的結果.
玻愛凝聚態的凝聚效應可以形成一束沿一定方向傳播的宏觀電子對波,這種波帶電,傳播中形成一束宏觀電流而無需電壓.
原子凝聚體中的原子幾乎不動,可以用來設計精確度更高的原子鐘,以應用於太空航行和精確定位等.
玻愛凝聚態的原子物質表現出了光子一樣的特性正是利用這種特性,前年哈佛大學的兩個研究小組用玻色-愛因斯坦凝聚體使光的速度降為零,將光儲存了起來.
玻愛凝聚態的研究也可以延伸到其他領域,例如,利用磁場調控原子之間的相互作用,可以在物質第五態中產生類似於超新星爆發的現象,甚至還可以用玻色-愛因斯坦凝聚體來模擬黑洞.
隨著對玻愛凝聚態研究的深入,又一次徹底的技術革命的號角已經吹響.