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70年前的预言

查字典物理网 2012-12-29

大多数人初次听到玻色-爱因斯坦凝聚这个术语时,都感到既陌生又神秘。那它到底是什么意思呢?

早在1924年,印度物理学家萨蒂延德拉·玻色(Stayendra Bose,1894~1974)提出了一个分析光子行为的统计力学方法,也就是现在我们所说的“玻色统计”。玻色提出了一种新的统计理论,它与传统的统计理论仅在一条基本假定上不同。传统统计理论假定一个系统中所有的粒子之间都是可以辨别的,可以给它们分别标上记号,并且相互之间不会混淆的。基于这一假定的经典的统计力学理论圆满地解释了理想气体定律,取得了非凡的成功。然而玻色却认为,我们实际上根本不可能区分两个光子之间有什么不同。玻色讨论了如下一个问题:将N个相同的小球放进M个标号为1,2,……的箱子中,假定箱子的容积足够大,可能有多少种不同的放法?在此问题的基础上,他采用与传统统计相似的方法得到了一套新的统计理论。

玻色的理论无须借助经典电动力学的理论。就可以正确描述光子的行为,但他在发表自己的理论时却遇到一些麻烦,因为人们不相信他的结果,不肯在科学杂志上利登他的论文。于是玻色就将论文寄给爱因斯坦这位当时最有名的物理学家。爱因斯坦立刻意识到这篇论文的重要性,并通过自己的影响力将它发表在德国的学术刊物上。也许有人会问,玻色的理论为什么还同时用爱因斯坦的名字来命名呢?

事实上,爱因斯坦不但帮助玻色发表了论文,而且还进一步对他的理论进行深化和推广。爱因斯坦认为,玻色的理论不但对光子适用,而且还可以用来研究所有原子的行为。他最终建立了遵守玻色-爱因斯坦统计的粒子的完整量子模型。爱因斯坦发现,他建立的方程式表明,原子在非常低的温度下的表现与通常状态相比大为不同。如果原子足够冷,那么就可能会有一些不同寻常的事情发生。它是那样的奇异,以致爱因斯坦无法确定自己的理论是否正确。

也许有人认为,爱因斯坦是永远不会错的,但事实上他只对了一半。因为并不是所有原子都遵守玻色-爱因斯坦统计。现在我们已经知道,粒子实际上可以分成两大类。一类称为玻色子,遵守玻色-爱因斯坦统计;另一样称为费米子,遵守费米-狄拉克统计。

爱因斯坦的理论表明,在足够低的温度下,所有原子有可能处在相同的最低能级上,所有原子的行为就像一个粒子一样。

为了理解能级的概念,我们可以将原子想像成一个个的小球,它们被放进一个碗中滚动,并且让其能量必须取一系列确定的数值,就像台阶一样从小到大,而不是以随便一个速度运动。这就是所谓的能级。量子力学认为,任何物体的能量都不是连续取值的,而只能是这种不连续的方式,当然,对一个宏观的小球而言,相邻的两个能级之间的差是很小的,以至我们根本不会察觉到。爱因斯坦的方程预言,在正常温度下,原子可以处于任何一个能级上,但在非常低的温度下,大部分原子会突然跌落到最低的能级上,就好像一座突然坍塌的大楼一样。这些堆积在最低能级上的原子呈现的就是所谓的玻色-爱因斯坦凝聚态。值得注意的是,这里的“凝聚”与日常生活中的凝聚不同,它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。

玻色-爱因斯坦凝聚态是物质的一种奇特的状态,处于这种状态的大量原子行为就像一个粒子一样,可以“齐声歌唱”,所以被称为“超原子”。

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