第13章 2001年諾貝爾物理學獎——玻色愛因斯坦冷凝態的研究(1 / 2)

2001年諾貝爾物理獎的得主是美國科學家艾裏克·科納爾、德國科學家沃爾夫岡·凱特納以及美國科學家卡爾·威依邁三人將共同平分1000萬瑞典克郎的獎金。

這三位科學家的簡單生平簡曆如下:艾裏克·科納爾1961年出生於美國加州,1990年獲得麻省理工學院博士學位,美國國家標準與技術機構的高級科學家。沃爾夫岡·凱特納1957年出生於德國海德堡,1986年在德國獲博士學位,美國麻省理工學院的物理教授。卡爾·威依邁1951年出生於美國俄勒岡州,1977年在斯坦福大學獲博士學位,為科羅拉多州立大學的物理教授。

三位科學家獲得2001年諾貝爾物理獎的理由是取得了在淡氣中實現堿性原子的玻色-愛因斯坦冷凝,揭示了一種新的物質狀態:玻色-愛因斯坦冷凝物。人們都知道激光與普通燈光不同,在激光中所有光粒都具有相同的能量與振蕩,因此如何控製其他光束達到同樣的狀態一直就是對物理科學家的一種挑戰。

2001年諾貝爾物理學獎得主成功地解決了這一問題,他們使得原子能夠“合諧地歌唱”,這樣就發現了一種新的物質狀態:玻色-愛因斯坦冷凝。1924年印度物理學家博斯提出了一個關於光粒計算的重要理論,並將結果發給了愛因斯坦,愛因斯坦將這一理論擴展擴展到了特定類型的原子。愛因斯坦預計,如果這種類型的原子氣體被降低到極低的溫度,那麼所有的原子就會突然聚集在一種盡可能低的能量狀態。這種過程與從氣體中滴下一滴液體相似,因此稱為博斯-愛因斯坦冷凝,上述三位物理學家的成就在於成功證實了這一理論。

諾貝爾物理獎項,是針對物質在某個極端狀態——玻色-愛因斯坦凝聚態——的研究。得獎的是三位該領域的物理學家:科羅拉多大學參與JILA研究計劃的柯奈爾和維曼,以及麻省理工學院的科特勒。他們的貢獻在於“堿金屬在玻色-愛因斯坦凝聚態中的成就,並奠定早期凝態物質研究的基礎”。

什麼是玻色-愛因斯坦凝聚態?在常溫下,原子會像撞球一般互相碰撞,這用古典力學的概念就能解釋;而當溫度降低,原子碰撞的速度跟著減緩,量子力學對它們的控製就漸為明顯。最主要的就是原子的自旋運動,該運動可以由自旋量子數——整數或是整數的一半來描述。粒子的自旋數若是整數,它就稱為玻子(boson),若是整數的一半,我們就稱為費密子。玻子有極強的“社會性”行為,在低溫下會聚在一起,並且維持在同一種量子狀態下,此時他們整體的能量是最低的。但費密子彼此之間則會躲得遠遠的;它們無法同時處在同一種量子狀態下,因此整體能量狀態也較高。元素在周期表的排列方式,就與電子在原子中的狀態有關。

早在1924年印度的物理學家玻色(S.N.Bose),就已完成上述粒子的統計結果,後來就用玻色來為該種粒子命名,稱為玻子。繼普朗克(Planck)的輻射定律之後,玻色也提出另一個輻射定律,並將之寄給愛因斯坦。愛因斯坦了解這個理論的重要性,便將它翻譯成德文,然後發表,並迅速地擴展這個理論,緊接著發表了兩篇文章。文中預測,當特定數量的粒子之間靠得夠近、又移動得夠慢,它們就會一同轉換到最低能態。這個能態我們現在就稱為“玻色―愛因斯坦凝聚態”。