【小标】物质第五态 印 度物理学家玻色（Satyendra Nath Bose）视爱因斯坦为「导师」的原因很容易理解， 如果不是爱因斯坦的慧眼，这个低调的天才可能只平平凡凡的在印度当个老师，维基百科 上可能也找不到这个 人。1924年，才三十岁玻色写了篇〈普朗克原理和光量子〉文章四 处投稿，一再被退稿後，乾脆把文章转寄给最重量级的科学家爱因斯坦。爱因斯坦发现了 这篇 文章的重要性，帮文章翻译成德文发表，并将玻色的理论推广，提出玻色‧爱因斯 坦凝聚（Bose-Einstein condensation）。 先别担心你没听过玻色‧爱因斯坦凝聚（BEC），事实上你的中学物理老师也不一定听过 。先来了解物质有几态？一般人答得出固、液、气三态；能说的出「电浆态」为第四态的 已经不多；而BEC更是到1995年才证实存在的「第五态」。 一 般说来，原子的气体被冷却时，会从气体变成液体、在从液体变成固体。但是极度低 温的时候，这些一颗颗的原子会「看似」愈变愈长，变成一条一条的蠕动的波。 继续冷 却下去，这些蠕动的波会重叠纠结、凝聚在一起。本来能区分的出哪颗原子是张三、哪颗 是李四，但是在极冷的状态下，这群原子看起来就像一团你泥中有我 我泥中有你的超级 大原子。 极冷指的是0.00000001K，10-8K，差那麽一点点就达所有原子都冻僵的绝对零度。当我们 说A物体比 B物体热，代表A物体中的原子运动速度比B物体体高。如果想要冷却一团原子 ，可以把他放进冰箱，让他速度变慢。但冰箱的温度、甚至摄氏负两百度【记得统一 科 学符号数字或国字】的液态氮，都不足以让这团原子冷却到足以达到BEC的程度——10-8K 。 在BEC理论提出後的七十年，因为可以冷却到接近绝对零度的设备与技术迟迟未出现，BEC 也因此无法被证实。 【小标】比慢的竞赛 第 一个投入BEC战场的，是被称为冷原子教父、美国麻省理工学院的克勒普纳（Daniel Kleppner）。他尝试使用磁场捕捉的一群氢原子来达成BEC，但因为氢的质量太轻而不幸 失败。（注：克勒普纳的研究团队在初次失败後，并未放弃，最 後在1998年也达成氢原 子的BEC。） 1985年，史丹佛大学的朱棣文(Steven Chu)等人发明雷射冷却的方法，让BEC的诞生重现 生机。 雷射可以烧焦你皮肤，但是在某种频率下，他也能让原子速度慢下来，也就是让原子冷却 。想像雷射光的光子是小小乒乓球，而原子是保龄球。不断地将乒乓球打在迎面滚来的保 龄球上，会有减速的效果。 问题来了！原子不像保龄球一样乖乖的滚在轨道上，这一大堆的原子是随机乱跑的，不仅 方向不一样，速度也不一样。为了解决方向不一样的问题，科学家用了六道雷射，分别从 不同的方向射入真空管中，如此一来，在这六个方向上移动的原子，都有机会被雷射光所 发射的光子减慢下来。 另 一个问题是速度，如果有一颗原子已经接近静止状态了，光子还傻傻地继续打它，不 是会造成像高速公路「追撞」的效果，让原子加速、变热吗？这就是雷射冷却聪 明的地 方，他可以选择要让哪些原子变慢，也可以选择不去影响那些已经很慢的原子。所应用到 的理论叫做「都普勒效应」（Doppler Effect）。 已经降温（变慢）的原子，还是会到处乱跑，因此必须利用磁场和光做成的磁光阱（ magneto-optical trap）把原子捕捉住。然而，雷射冷却只能降温到到0.4×10-5K。要达 到BEC，这样的温度还是太热了，需要到10-8K，还有最後一个重要步骤。 连雷射冷却都达不到的低温，一定需要更先进的科学技术吧？ 不 用，接下来，拿出老祖母冷却豆浆的方法来冷却原子就可以了。老祖母煮了滚烫烫的 豆浆，放在一旁放凉。「放凉」的道理就是让那些跑得很快的滚烫粒子离开豆 浆、跑到 空气中，让整锅豆浆的温度降低。科学家称这个方法「蒸发冷却」，由海斯（Harald Hess）1986年在麻省理工学院时发明。其实就是把经过雷射冷却，虽然已经变慢，但还是 不够慢的原子们，装在一个无形的、磁场做成的磁阱里。这群还在 东跑西跳的原子在这 个碗里，因为没有封口，所以，能量高、跑得快的原子很容易就跑出碗中，使整个系统的 温度降低。科学家们把磁场做成的碗缘慢慢降低，随着 碗的边缘降低，爱乱跑的原子们 也跑光了，留下来的就剩行动迟缓的原子。最後，这群非常非常缓慢的原子就形成了BEC 。 诺贝尔奖每年仅颁给区区数人，但荣誉的背後其实堆积着许多人的努力。 克 莱普纳的实验虽然没有一举成功，但团队成员海斯发明的蒸发冷却造福了其他後进者 。科罗拉多大学的康乃尔康乃尔（Eric Cornell）、魏曼（Carl Weiman），以及麻省理 工学院的凯特利（Wolfgang Ketterle）也投入了这场绝对零度的竞赛。有了克莱普纳的 前车之监，他们避开了氢原子，分别采用了铷和钠原子做实验。也感谢雷射冷却、蒸发冷 却的发 明，让这三位科学家在1995年都达成了BEC，并获得了2001年的诺贝尔物理奖。 【小标】科学的目的 七十年来，科学家不断的尝试、失败、再挑战，将累积的经验传承，终於解开物质有无第 五态的科学之谜，这的确是伟大的成就。但是，这样伟大的BEC，到底能干嘛？ 我问了这个问题，结果同学皱眉看着我，好像我是看到莫内的画却只盘算会不会增值的势 利眼。（通常我问了他们回答不了的问题，他们就会劝我不要那麽「直观」）同学说，也 许，BEC可以用来制造原子钟、更准确的全球定位系统、更快速的量子电脑等等。 但 是，这些「可能性」更像是科学家为了堵住质疑者的嘴而想出来的。身为七十年未解 的谜，BEC的确是真相的追寻。而它的用途，就像科罗拉多JILA实验室的 BEC教学网页上 说：「我们的处境就像四百年前居住在大溪地的土着。某一天不知何故，一座漂流的巨大 冰山被冲上岸边。面对这个奇异的景象，土着们的结论 释：这座冰山可以用来做冰淇淋 。」 BEC代表的是科学界对原子有更全面的控制，「也许将来」可以应用在、精密测量或制作 电脑晶片。说「将 来」是因为BEC距离实际应用还有一段路。它太脆弱了，以目前的技术 ，它只能存在於真空与黑暗中；目前仅有少数几种原子能达到BEC，而且因为实验过程的 消耗，凝聚成BEC的原子数也极少。 也许离真正的应用还有一段距离。但是，市场价值对於衷情於研究的科学家不一定最重要 ，并非每个科学研究的动机都是想着要上购物台热销十万组。也不是要唱高调说科学的目 的是探究宇宙的真理，但是，也许解谜过程中的乐趣与成就感，就是科学的目的。 --

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