碱金属气体中的玻色—爱因斯坦凝聚—2001年度诺贝尔物理奖介绍
碱性原子的玻色—爱因斯坦冷凝态与“原子激光”——2001年诺贝尔物理学奖介绍
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维普资讯
物理 与 工程
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物 理 与工 程
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２０ Ｏ １年 诺 贝 尔 物 理 学 奖 介 绍
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BEC
Fig. 3: Observation of Bose-Einstein condensation by absorption imaging. Shown is absorption vs. two spatial dimensions. The Bose-Einstein condensate is characterized by its slow expansion observed after 6 msec time of flight. The left picture shows an expanding cloud cooled to just above the transition point; middle: just after the condensate appeared; right: after further evaporative cooling has left an almost pure condensate. The total number of sodium atoms at the phase transition is about 7× 10-5; the temperature Tc at the transition point is 2ì K.
(和粒子的德布罗意波长同数量级)
T较高时， N 0 N T较低时， g 3 / 2 ( z)
h N T Tc , g 3 / 2 ( z ) max 2mk B 2.612V
2
2/3
T TC
不可能保持N0为小的数, 宏观数量的原 子处于单一量子态上, 此即发生BEC。 原子以何种方式相互凝聚在最低能态上?
物质的新状态：BEC Einstein: 1924年预言 2001年物理学奖得主： E. A. Cornell(39岁) and C. E. Wieman(50岁) (美国国家标 准技术研究所与科罗拉多大学的联合天体物理研究所） W. Ketterle (43岁) (美国麻省理工学院德裔科学家） 1995年，他们三人在《Science》和《Physical Review Letters》 上发表论文证实了爱因斯坦的预言，2001年10月9日获奖。
玻色爱因斯坦凝聚态
玻色爱因斯坦凝聚态玻色一爱因斯坦凝聚态(BEC)原子气体是一种新的量子流体，已经被公认为物质的第五种状态，已经形成一种间于原子物理与凝聚态之间的新的学科增长点，借助激光与蒸发冷却技术在将一种稀薄原子气体冷却到nK温度时可产生该种物质状态[1]。
玻色一爱因斯坦凝聚态发现与研究自1924年爱因斯坦提出玻色-爱因斯坦凝聚态以来，在实验室水平上实现中性原子气体的这种凝聚态一直是物理学家的目标。
终于在1995年，科罗拉多大学、莱斯大学和麻省理工学院的研究小组在实验室水平上实现了碱金属原子气体的这种凝聚态。
随之诞生了大量相关的理论研究成果。
然而，多数理论研究仅仅限于所谓的二体碰撞作用研究方面，或更进一步扩展到G-P方程，或玻色一爱因斯坦凝聚态的一些基本特性研究。
实际情况是在nK温度时，玻色一爱因斯坦凝聚态表现出很强的集体性，因此，我们不得不从原子结团角度重新审视该种物态的基本特性。
更为重要的是，如果我们能够把握玻色一爱因斯坦凝聚态的内在结团特性，那么我们就可以有一套行之有效的方法处理二个分离的玻色一爱因斯坦凝聚态或更多该种物态之间的相互作用。
因此，故该问题是我们研究的焦点[2]。
理论模型冷原子气体热动力学的主要特征是作为玻色-爱因斯坦凝聚态主要特性的相变温度的存在，传统的说法是在实现该凝聚态时，表现出来的宏观特征为所有的原子占据同一个宏观量子态，尽管玻色一爱因斯坦凝聚态的提出时间可以推溯到1924年，但是其相变问题直到最近才被人们所理解，特别是蒙特一卡诺计算方法的兴起与推行，关于原子之间作用对相变问题的探索才被系统的开发出来，一般的情况是对于小的作用强度，温度是随着原子作用的增加而加大；但是对于大的原子作用，情况正好相反，可以从临界温度的下降来理解有效质量效应。
运动原子通过所感受的场来对其它的原子产生拖拉作用，使有效原子质量加大，由于TcoCl／m，相应地临界温度呈现下降趋向，传统的对弱作用原子气体理论研究，使得弱原子气体情况更为大家所熟悉，直观的理解是原子之间的排斥作用使得凝聚态原子密度波动幅度减小，因此使动量等于零的模式的布局数增加，进而使得温度有所升高，该临界温度的求解，数学性很强，物理解释不直接，玻色原子云通过短程势发生作用，其哈密顿量为：其中as，是散射长度，bq是动量为q的粒子消灭算符，m是粒子的质量，V=L3是系统的体积，我们感兴趣的函数是凝聚态原子数的几率分布，分布几率的表达式为：这里期望值是针对自由系综而言的，Fo F(a=0)是无相互作用体系的自由能。
1901至今历届诺贝尔物理学奖得主及小故事
目录1901-1950 (1)1951-1980 (4)1981-2000 (7)2001-2010 (8)2011-2020 (10)2021 (12)独享还是共享？ (13)人选空缺怎么办？ (13)最年轻和最年长的获奖者 (13)史上获两次诺贝尔物理学奖的人 (14)获得诺贝尔物理学奖的华人科学家 (14)作为根据诺贝尔遗嘱设立的五大奖项之一，物理学奖被授予“在物理学领域作出最重要发现或发明的人”，与其他诺贝尔奖相比，物理学奖的荐举和甄选过程更长、更缜密。
诺贝尔物理学奖规则规定，获奖者的贡献必须“已经受时间的考验”。
这意味着诺贝尔委员会往往会在科学发现的数十年以后才会为此颁发奖项。
自1901年设立至今，诺贝尔物理学奖已走过百年历程，记录了物理学发展史上的无数个里程碑，已成为人类文明不可分割的一部分。
1901-19501、1901年：威尔姆·康拉德·伦琴（德国）发现X射线2、1902年：亨德瑞克·安图恩·洛伦兹（荷兰）、塞曼（荷兰）关于磁场对辐射现象影响的研究3、1903年：安东尼·亨利·贝克勒尔（法国）发现天然放射性；皮埃尔·居里（法国）、玛丽·居里（波兰裔法国人）发现并研究放射性元素钋和镭4、1904年：瑞利（英国）气体密度的研究和发现氩5、1905年：伦纳德（德国）关于阴极射线的研究6、1906年：约瑟夫·汤姆生（英国）对气体放电理论和实验研究作出重要贡献并发现电子7、1907年：迈克尔逊（美国）发明光学干涉仪并使用其进行光谱学和基本度量学研究8、1908年：李普曼（法国）发明彩色照相干涉法（即李普曼干涉定律）9、1909年：伽利尔摩·马克尼（意大利）、布劳恩（德国）发明和改进无线电报；理查森（英国）从事热离子现象的研究，特别是发现理查森定律10、1910年：范德华（荷兰）关于气态和液态方程的研究11、1911年：维恩（德国）发现热辐射定律12、1912年：达伦（瑞典）发明可用于同燃点航标、浮标气体蓄电池联合使用的自动调节装置13、1913年：卡末林－昂内斯（荷兰）关于低温下物体性质的研究和制成液态氦14、1914年：马克斯·凡·劳厄（德国）发现晶体中的X射线衍射现象15、1915年：威廉·亨利·布拉格、威廉·劳伦斯·布拉格（英国）用X射线对晶体结构的研究16、1916年：未颁奖17、1917年：查尔斯·格洛弗·巴克拉（英国）发现元素的次级X辐射特性18、1918年：马克斯·卡尔·欧内斯特·路德维希·普朗克（德国）对确立量子论作出巨大贡献19、1919年：斯塔克（德国）发现极隧射线的多普勒效应以及电场作用下光谱线的分裂现象20、1920年：纪尧姆（瑞士）发现镍钢合金的反常现象及其在精密物理学中的重要性21、1921年：阿尔伯特·爱因斯坦（德国）他对数学物理学的成就，特别是光电效应定律的发现22、1922年：尼尔斯·亨利克·大卫·玻尔（丹麦）关于原子结构以及原子辐射的研究23、1923年：罗伯特·安德鲁·密立根（美国）关于基本电荷的研究以及验证光电效应24、1924年：西格巴恩（瑞典）发现X射线中的光谱线25、1925年：弗兰克·赫兹（德国）发现原子和电子的碰撞规律26、1926年：佩兰（法国）研究物质不连续结构和发现沉积平衡27、1927年：康普顿（美国）发现康普顿效应；威尔逊（英国）发明了云雾室，能显示出电子穿过空气的径迹28、1928年：理查森（英国）研究热离子现象，并提出理查森定律29、1929年：路易·维克多·德布罗意（法国）发现电子的波动性30、1930年：拉曼（印度）研究光散射并发现拉曼效应31、1931年：未颁奖32、1932年：维尔纳·海森伯（德国）在量子力学方面的贡献33、1933年：埃尔温·薛定谔（奥地利）创立波动力学理论；保罗·阿德里·莫里斯·狄拉克（英国）提出狄拉克方程和空穴理论34、1934年：未颁奖35、1935年：詹姆斯·查德威克（英国）发现中子36、1936年：赫斯（奥地利）发现宇宙射线；安德森（美国）发现正电子37、1937年：戴维森（美国）、乔治·佩杰特·汤姆生（英国）发现晶体对电子的衍射现象38、1938年：恩利克·费米（意大利）发现由中子照射产生的新放射性元素并用慢中子实现核反应39、1939年：欧内斯特·奥兰多·劳伦斯（美国）发明回旋加速器，并获得人工放射性元素40、1940—1942年：未颁奖41、1943年：斯特恩（美国）开发分子束方法和测量质子磁矩42、1944年：拉比（美国）发明核磁共振法43、1945年：沃尔夫冈·E·泡利（奥地利）发现泡利不相容原理44、1946年：布里奇曼（美国）发明获得强高压的装置，并在高压物理学领域作出发现45、1947年：阿普尔顿（英国）高层大气物理性质的研究，发现阿普顿层（电离层）46、1948年：布莱克特（英国）改进威尔逊云雾室方法和由此在核物理和宇宙射线领域的发现47、1949年：汤川秀树（日本）提出核子的介子理论并预言∏介子的存在48、1950年：塞索·法兰克·鲍威尔（英国）发展研究核过程的照相方法，并发现π介子1951-198049、1951年：科克罗夫特（英国）、沃尔顿（爱尔兰）用人工加速粒子轰击原子产生原子核嬗变50、1952年：布洛赫、珀塞尔（美国）从事物质核磁共振现象的研究并创立原子核磁力测量法51、1953年：泽尔尼克（荷兰）发明相衬显微镜52、1954年：马克斯·玻恩（英国）在量子力学和波函数的统计解释及研究方面作出贡献；博特（德国）发明了符合计数法，用以研究原子核反应和γ射线53、1955年：拉姆（美国）发明了微波技术，进而研究氢原子的精细结构；库什（美国）用射频束技术精确地测定出电子磁矩，创新了核理论54、1956年：布拉顿、巴丁（犹太人）、肖克利（美国）发明晶体管及对晶体管效应的研究55、1957年：李政道、杨振宁（美籍华人）发现弱相互作用下宇称不守衡，从而导致有关基本粒子的重大发现56、1958年：切伦科夫、塔姆、弗兰克（苏联）发现并解释切伦科夫效应57、1959年：塞格雷、欧文·张伯伦(OwenChamberlain)（美国）发现反质子58、1960年：格拉塞（美国）发现气泡室，取代了威尔逊的云雾室59、1961年：霍夫斯塔特（美国）关于电子对原子核散射的先驱性研究,并由此发现原子核的结构；穆斯堡尔（德国）从事γ射线的共振吸收现象研究并发现了穆斯堡尔效应60、1962年：达维多维奇·朗道（苏联）关于凝聚态物质，特别是液氦的开创性理论61、1963年：维格纳（美国）发现基本粒子的对称性及支配质子与中子相互作用的原理；梅耶夫人（美国人.犹太人）、延森（德国）发现原子核的壳层结构62、1964年：汤斯（美国）在量子电子学领域的基础研究成果，为微波激射器、激光器的发明奠定理论基础；巴索夫、普罗霍罗夫（苏联）发明微波激射器63、1965年：朝永振一郎（日本）、施温格、费因曼（美国）在量子电动力学方面取得对粒子物理学产生深远影响的研究成果64、1966年：卡斯特勒（法国）发明并发展用于研究原子内光、磁共振的双共振方法65、1967年：贝蒂（美国）核反应理论方面的贡献，特别是关于恒星能源的发现66、1968年：阿尔瓦雷斯（美国）发展氢气泡室技术和数据分析，发现大量共振态67、1969年：盖尔曼（美国）对基本粒子的分类及其相互作用的发现68、1970年：阿尔文（瑞典）磁流体动力学的基础研究和发现，及其在等离子物理富有成果的应用；内尔（法国）关于反磁铁性和铁磁性的基础研究和发现69、1971年：加博尔（英国）发明并发展全息照相法70、1972年：巴丁、库柏、施里弗（美国）创立BCS超导微观理论71、1973年：江崎玲于奈（日本）发现半导体隧道效应；贾埃弗（美国）发现超导体隧道效应；约瑟夫森（英国）提出并发现通过隧道势垒的超电流的性质，即约瑟夫森效应72、1974年：马丁·赖尔（英国）发明应用合成孔径射电天文望远镜进行射电天体物理学的开创性研究；赫威斯（英国）发现脉冲星73、1975年：阿格·N·玻尔、莫特尔森（丹麦）、雷恩沃特（美国）发现原子核中集体运动和粒子运动之间的联系，并且根据这种联系提出核结构理论74、1976年：丁肇中、里希特（美国）各自独立发现新的J/ψ基本粒子75、1977年：安德森、范弗莱克（美国）、莫特（英国）对磁性和无序体系电子结构的基础性研究76、1978年：卡皮察（苏联）低温物理领域的基本发明和发现；彭齐亚斯、R·W·威尔逊（美国）发现宇宙微波背景辐射77、1979年：谢尔登·李·格拉肖、史蒂文·温伯格（美国）、阿布杜斯·萨拉姆（巴基斯坦）关于基本粒子间弱相互作用和电磁作用的统一理论的贡献，并预言弱中性流的存在78、1980年：克罗宁、菲奇（美国）发现电荷共轭宇称不守恒1981-200079、1981年：西格巴恩（瑞典）开发高分辨率测量仪器以及对光电子和轻元素的定量分析；布洛姆伯根（美国）非线性光学和激光光谱学的开创性工作；肖洛（美国）发明高分辨率的激光光谱仪80、1982年：K·G·威尔逊（美国）提出重整群理论，阐明相变临界现象81、1983年：萨拉马尼安·强德拉塞卡（美国）提出强德拉塞卡极限，对恒星结构和演化具有重要意义的物理过程进行的理论研究；福勒（美国）对宇宙中化学元素形成具有重要意义的核反应所进行的理论和实验的研究82、1984年：卡洛·鲁比亚（意大利）证实传递弱相互作用的中间矢量玻色子[[W+]],W-和Zc的存在；范德梅尔（荷兰）发明粒子束的随机冷却法，使质子-反质子束对撞产生W 和Z粒子的实验成为可能83、1985年：冯·克里津（德国）发现量子霍耳效应并开发了测定物理常数的技术84、1986年：鲁斯卡（德国）设计第一台透射电子显微镜；比尼格（德国）、罗雷尔（瑞士）设计第一台扫描隧道电子显微镜85、1987年：柏德诺兹（德国）、缪勒（瑞士）发现氧化物高温超导材料86、1988年：莱德曼、施瓦茨、斯坦伯格（美国）产生第一个实验室创造的中微子束，并发现中微子，从而证明了轻子的对偶结构87、1989年：拉姆齐（美国）发明分离振荡场方法及其在原子钟中的应用；德默尔特（美国）、保尔（德国）发展原子精确光谱学和开发离子陷阱技术88、1990年：弗里德曼、肯德尔（美国）、理查·爱德华·泰勒（加拿大）通过实验首次证明夸克的存在89、1991年：皮埃尔·吉勒德－热纳（法国）把研究简单系统中有序现象的方法推广到比较复杂的物质形式，特别是推广到液晶和聚合物的研究中90、1992年：夏帕克（法国）发明并发展用于高能物理学的多丝正比室91、1993年：赫尔斯、J·H·泰勒（美国）发现脉冲双星，由此间接证实了爱因斯坦所预言的引力波的存在92、1994年：布罗克豪斯（加拿大）、沙尔（美国）在凝聚态物质研究中发展了中子衍射技术93、1995年：佩尔（美国）发现τ轻子；莱因斯（美国）发现中微子94、1996年：D·M·李、奥谢罗夫、R·C·理查森（美国）发现了可以在低温度状态下无摩擦流动的氦同位素95、1997年：朱棣文、W·D·菲利普斯（美国）、科昂·塔努吉（法国）发明用激光冷却和捕获原子的方法96、1998年：劳克林、霍斯特·路德维希·施特默、崔琦（美国）发现并研究电子的分数量子霍尔效应97、1999年：H·霍夫特、韦尔特曼（荷兰）阐明弱电相互作用的量子结构98、2000年：阿尔费罗夫（俄国）、克罗默（德国）提出异层结构理论，并开发了异层结构的快速晶体管、激光二极管；杰克·基尔比（美国）发明集成电路2001-201099、2001年：克特勒（德国）、康奈尔、卡尔·E·维曼（美国）在“碱金属原子稀薄气体的玻色－爱因斯坦凝聚态”以及“凝聚态物质性质早期基本性质研究”方面取得成就100、2002年：雷蒙德·戴维斯、里卡尔多·贾科尼（美国）、小柴昌俊（日本）“表彰他们在天体物理学领域做出的先驱性贡献，其中包括在“探测宇宙中微子”和“发现宇宙Ｘ射线源”方面的成就。
超冷原子系统中的玻色爱因斯坦凝聚与费米准粒子研究
超冷原子系统中的玻色爱因斯坦凝聚与费米准粒子研究超冷原子系统中的玻色-爱因斯坦凝聚与费米准粒子研究近年来，随着科学技术的不断进步，超冷原子系统成为了物理学界的热门研究领域。
在这个领域中，人们对玻色-爱因斯坦凝聚和费米准粒子进行了深入研究，这些研究不仅揭示了原子物理学的奇妙现象，也为量子信息、精密测量和量子计算等领域的发展提供了可能。
玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）是一种在超低温下由玻色子组成的物质状态。
在正常温度下，玻色子会按照玻尔兹曼分布分布在不同的能级上，但是在超冷温度下，玻色子将趋向于于基态，导致大量的玻色子占据同一个能级。
这种现象在实验中得到了充分验证，而且玻色-爱因斯坦凝聚的形成条件、物质特性以及与其他量子现象的关系也成为了科学家们关注的焦点。
玻色-爱因斯坦凝聚的研究不仅帮助我们理解了凝聚态物质的行为，也为新型激光器和量子计算机的研发提供了新的思路。
凝聚态物质具有良好的相干性和可控性，这使得它们成为了激光器制备中的理想材料。
此外，凭借玻色-爱因斯坦凝聚的相干性质，科学家们还可以将其应用于量子计算领域，以加速计算速度和提高计算精度。
与玻色-爱因斯坦凝聚相对应的是费米准粒子（Fermi-gas）的研究。
费米准粒子主要由费米子组成，它们遵循一种特殊的统计规律，即不能同时占据相同的量子态。
在超冷原子系统中，费米准粒子的研究主要集中在超导性和超流性方面。
费米准粒子的超导性和超流性在物理学和工程学上具有重要的应用价值，例如高温超导材料的研究以及制备高效能源传输和储存系统等。
除了玻色-爱因斯坦凝聚和费米准粒子的研究之外，超冷原子系统还涉及到其他一些重要的研究课题。
例如，人们对量子调控和量子相干的研究，以及超冷原子系统中的相互作用和碰撞等现象的研究，都对物理学和应用科学领域具有重要的意义。
超冷原子系统的研究发展离不开实验和理论的相互支持。
通过使用激光冷却和磁光陷阱等技术，科学家们能够将原子冷却到极低的温度，并观察和控制原子的行为。
超冷分子的诞生与分子玻色—爱因斯坦凝聚
超冷分子的诞生与分子玻色—爱因斯坦凝聚文/金政一、介绍在1985~1986年，朱棣文教授(Steven Chu, 目前在美国的劳伦斯柏克莱国家实验室Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL)与William D. Phillips教授(目前在美国的国家标准及技术中心National Institute of Standards and Technology, NIST)成功的以雷射捕捉和冷却中性原子，此技术为原子物理学开启了一个新的纪元。
这项成就加上Claude Cohen-Tannoudji教授(目前在巴黎的Ecole Normale Supérieure, ENS)所作的理论研究于1997年获颁了诺贝尔物理奖。
近年来科学家对超冷原子气体的研究已有了长足的进展。
在1995 年有一个重大的突破，科学家将具有玻色子性质的原子进一步冷却，并观察到原子玻色—爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein Condensation)，简称为玻色凝聚。
由于这个实验，JILA的Eric A. Cornell教授、Carl E. Wieman教授与麻省理工学院的Wolfgang Ketterle教授分享了2001年的诺贝尔物理奖。
原子的玻色凝聚导致了许多重要的实验发现；例如，第一个物质波放大器[1]、物质波的孤立子(soliton)[2]和涡流(vortex)[3]以及在光晶格(optical lattices)中的量子相变(quantum phase transition)[4]。
在超冷原子气体的研究中我们提出了一个新的构想：是否也能对分子气体做类似的量子控制？若答案是肯定的，由分子组成的量子气体将能对相位和谐(phase coherent)的化学反应有全新的贡献；分子气体也可能提供更高精确度的精密量测，并加深我们对于费米系统中的库柏配对(Cooper pairing)现象及其超导或超流性质的了解。
玻色-爱因斯坦凝聚评述
2001年10月9日瑞典皇家科学院宣布，将本年度诺贝尔物理学奖授予美国国家标准与技术研究所物理学家埃里克·康奈尔(E.A.Cornell)、美国麻省理工学院教授德国人沃尔夫冈·克特勒(W.Ketterle)以及美国科罗拉多大学教授卡尔·威曼(C. E. Wieman)，以表彰他们在稀薄碱金属原子气中实现了玻色－爱因斯坦凝聚以及在凝聚体性质方面的早期基础性研究。
本文将介绍玻色－爱因斯坦凝聚的研究简史以及三位获奖者的主要贡献。
玻色－爱因斯坦凝聚及其实验研究简史1924年印度物理学家玻色研究了“光子在各能级上的分布”问题，他以不同于普朗克的方式推导出普朗克黑体辐射公式。
玻色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，立即着手研究这一问题。
爱因斯坦于1924和1925年发表了两篇文章，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，这就是所谓的玻色－爱因斯坦凝聚(Bose－Einstein Condensation，BEC)，这时宏观量物质的状态可以用同一波函数来描写。
从理论上讲，处在这种状态的物质在性质上有别于通常的气态、液态、固态和等离子态，故有人又称其为物质的第五态。
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，并不是所有微观粒子都服从玻色－爱因斯坦统计，有一类粒子服从的是1926年诞生的费米－狄拉克统计，这类粒子被统称为费米子。
费米子不同于玻色子，它服从泡利不相容原理，即两个费米子不能占据同一个态。
利用这一点可以解释元素周期表。
费米子之间相互排斥，这是一种量子压力，它在无任何外力时也存在。
而玻色子的情况则相反，一个量子态上可以有任意多个粒子占据着。
微观粒子究竟属于哪一类是由其自旋决定的，自旋为整数的如光子、胶子等是玻色子，而为半整数的如电子、夸克等则是费米子。
玻色爱因斯坦凝聚及其进展
玻色—爱因斯坦凝聚及其进展包志理（天水师范学院物理与信息科学学院物理系甘肃天水741001）摘要：近年来，有关玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)的实验研究得到了快速发展，并取得了一系列重大的实验进展。
本文综述了玻色—爱因斯坦凝聚的由来、概念及其形成条件，并介绍了一些玻色—爱因斯坦凝聚的实验，展望了其发展前景。
关键词：玻色—爱因斯坦凝聚(BEC)；激光冷却与囚禁；原子激光0引言自从1924年玻色和爱因斯坦预言玻色—爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensation 简称BEC)以来，人们就玻色—爱因斯坦凝聚(BEC)的实现及其量子统计性质进行了长期的深入系统的理论研究与实验探索，并取得了一系列重大的实验进展。
在爱因斯坦理论预言之后70年，1995年终于在实验室里看到了中性原子的玻色一爱因斯坦凝聚(BEC)。
这成为物理学的一件大事，美国《科学》杂志把BEC选为1995年度的“分子”。
基于“在稀薄的碱金属气体中成功地获得玻色一爱因斯坦凝聚，并对凝聚体特性进行的早期基础性研究”方面的杰出贡献，美国国家标准技术研究所与科罗拉多大学的联合天体物理研究所(JILA)39岁的教授康奈尔(ell)和50岁的教授维曼(C.E.Wieman)以及美国麻省理工学院(MIT)43岁的德裔教授凯特勒(W.Ketterle)被授予2001年诺贝尔物理学奖。
为何人们对BEC如此关注和重视？本文对玻色—爱因斯坦凝聚的由来、概念及其形成条件，及玻色—爱因斯坦凝聚的一些实验作一介绍，并展望了其发展前景和相关的应用。
1玻色—爱因斯坦凝聚的由来我们知道，自然界中，粒子按统计性质分为玻色(Bose)子和费米(Fermi)子。
自旋量子数为整数的粒子，如光子、π介子和α粒子是玻色子，玻色子服从玻色—爱因斯坦统计；自旋量子数为半整数的粒子，如电子、质子、中子、μ介子是费米子，费米子服从费米—狄拉克统计。
1924年6月24日，30岁的印度物理教师玻色送一份手稿给爱因斯坦,试图不依赖经典电动力学来推导普朗克(黑体辐射)定律的系数32πν，办法是假定相空间最基本区域的体积为3h。
(完整word版)历年诺贝尔物理学奖得主(1901-2018)
历年诺贝尔物理学奖得主（1901—2016)年份获奖者国籍获奖原因1901年威廉·康拉德·伦琴德国“发现不寻常的射线，之后以他的名字命名”（即X射线，又称伦琴射线，并伦琴做为辐射量的单位）1902年亨得里克·洛仑兹荷兰“关于磁场对辐射现象影响的研究"（即塞曼效应)彼得·塞曼荷兰1903年亨利·贝克勒法国“发现天然放射性”皮埃尔·居里法国“他们对亨利·贝克勒教授所发现的放射性现象的共同研究"玛丽·居里法国1904年约翰·威廉·斯特拉斯英国“对那些重要的气体的密度的测定，以及由这些研究而发现氩"（对氢气、氧气、氮气等气体密度的测量，并因测量氮气而发现氩）1905年菲利普·爱德华·安东·冯·莱纳德德国“关于阴极射线的研究"1906年约瑟夫·汤姆孙英国"对气体导电的理论和实验研究"1907年阿尔伯特·迈克耳孙美国“他的精密光学仪器，以及借助它们所做的光谱学和计量学研究"1908年加布里埃尔·李普曼法国“他的利用干涉现象来重现色彩于照片上的方法"1909年古列尔莫·马可尼意大利“他们对无线电报的发展的贡献"卡尔·费迪南德·布劳恩德国1910年范德华荷兰“关于气体和液体的状态方程的研究" 1911年威廉·维恩德国“发现那些影响热辐射的定律”1912年尼尔斯·古斯塔夫·达伦瑞典“发明用于控制灯塔和浮标中气体蓄积器的自动调节阀”1913年海克·卡末林·昂内斯荷兰“他在低温下物体性质的研究，尤其是液态氦的制成”1914年马克斯·冯·劳厄德国“发现晶体中的X射线衍射现象”1915年威廉·亨利·布拉格英国“用X射线对晶体结构的研究”威廉·劳伦斯·布拉格英国1917年查尔斯·格洛弗·巴克拉英国“发现元素的特征伦琴辐射"1918年马克斯·普朗克德国“因他的对量子的发现而推动物理学的发展”1919年约翰尼斯·斯塔克德国“发现极隧射线的多普勒效应以及电场作用下谱线的分裂现象”1920年夏尔·爱德华·纪尧姆瑞士“他的，推动物理学的精密测量的，有关镍钢合金的反常现象的发现”1921年阿尔伯特·爱因斯坦德国“他对理论物理学的成就，特别是光电效应定律的发现”1922年尼尔斯·玻尔丹麦“他对原子结构以及由原子发射出的辐射的研究”1923年罗伯特·安德鲁·密美国“他的关于基本电荷以及光电效应的工作”立根1924年卡尔·曼内·乔奇·塞格巴恩瑞典“他在X射线光谱学领域的发现和研究”［3］1925年詹姆斯·弗兰克德国“发现那些支配原子和电子碰撞的定律”古斯塔夫·赫兹德国1926年让·佩兰法国“研究物质不连续结构和发现沉积平衡”1927年阿瑟·康普顿美国“发现以他命名的效应”查尔斯·威耳逊英国“通过水蒸气的凝结来显示带电荷的粒子的轨迹的方法”1928年欧文·理查森英国“他对热离子现象的研究，特别是发现以他命名的定律”1929年路易·德布罗意公爵法国“发现电子的波动性”1930年钱德拉塞卡拉·文卡塔·拉曼印度“他对光散射的研究，以及发现以他命名的效应”1932年维尔纳·海森堡德国“创立量子力学，以及由此导致的氢的同素异形体的发现”1933年埃尔温·薛定谔奥地利“发现了原子理论的新的多产的形式”(即量子力学的基本方程——薛定谔方程和狄拉克方程）保罗·狄拉克英国1935年詹姆斯·查德威克英国“发现中子"1936年维克托·弗朗西斯·赫斯奥地利“发现宇宙辐射”卡尔·戴维·安德森美国“发现正电子”1937年克林顿·约瑟夫·戴维孙美国“他们有关电子被晶体衍射的现象的实验发现”乔治·汤姆孙英国1938年恩里科·费米意大利“证明了可由中子辐照而产生的新放射性元素的存在,以及有关慢中子引发的核反应的发现”1939年欧内斯特·劳伦斯美国“对回旋加速器的发明和发展，并以此获得有关人工放射性元素的研究成果”1943年奥托·施特恩美国“他对分子束方法的发展以及有关质子磁矩的研究发现”1944年伊西多·艾萨克·拉比美国“他用共振方法记录原子核的磁属性"1945年沃尔夫冈·泡利奥地利“发现不相容原理，也称泡利原理”1946年珀西·威廉斯·布里奇曼美国“发明获得超高压的装置,并在高压物理学领域作出发现”1947年爱德华·维克托·阿普尔顿英国“对高层大气的物理学的研究，特别是对所谓阿普顿层的发现”1948年帕特里克·梅纳德·斯图尔特·布莱克特英国“改进威尔逊云雾室方法和由此在核物理和宇宙射线领域的发现”1949年汤川秀树日本“他以核作用力的理论为基础预言了介子的存在"1950年塞西尔·弗兰克·鲍威尔英国“发展研究核过程的照相方法,以及基于该方法的有关介子的研究发现”1951年约翰·道格拉斯·考克饶夫英国“他们在用人工加速原子产生原子核嬗变方面的开创性工作”欧内斯特·沃吞爱尔兰1952年费利克斯·布洛赫美国“发展出用于核磁精密测量的新方法,并凭此所得的研究成果"爱德华·珀塞尔美国1953年弗里茨·塞尔尼克荷兰“他对相衬法的证实，特别是发明相衬显微镜”1954年马克斯·玻恩英国“在量子力学领域的基础研究，特别是他对波函数的统计解释"瓦尔特·博特德国“符合法，以及以此方法所获得的研究成果"1955年威利斯·尤金·兰姆美国“他的有关氢光谱的精细结构的研究成果”波利卡普·库施美国“精确地测定出电子磁矩”1956年威廉·布拉德福德·肖克利美国“他们对半导体的研究和发现晶体管效应”约翰·巴丁美国沃尔特·豪泽·布喇顿美国1957年杨振宁中国“他们对所谓的宇称不守恒定律的敏锐地研究，该定律导致了有关基本粒子的许多重大发现"李政道中国1958年帕维尔·阿列克谢耶维奇·切连科夫苏联“发现并解释切连科夫效应”伊利亚·弗兰克苏联伊戈尔·叶夫根耶维奇·塔姆苏联1959年埃米利奥·吉诺·塞格雷美国“发现反质子"欧文·张伯伦美国1960年唐纳德·阿瑟·格拉泽美国“发明气泡室”1961年罗伯特·霍夫施塔特美国“关于对原子核中的电子散射的先驱性研究，并由此得到的关于核子结构的研究发现”鲁道夫·路德维希·穆斯堡尔德国“他的有关γ射线共振吸收现象的研究以及与这个以他命名的效应相关的研究发现”1962年列夫·达维多维奇·朗道苏联“关于凝聚态物质的开创性理论，特别是液氦"1963年耶诺·帕尔·维格纳美国“他对原子核和基本粒子理论的贡献，特别是对基础的对称性原理的发现和应用”玛丽亚·格佩特-梅耶美国“发现原子核的壳层结构"J·汉斯·D·延森德国1964年查尔斯·汤斯美国“在量子电子学领域的基础研究成果,该成果导致了基于激微波－激光原理建造的振荡器和放大器"尼古拉·根纳季耶维奇·巴索夫苏联亚历山大·普罗霍罗夫苏联1965年朝永振一郎日本“他们在量子电动力学方面的基础性工作,这些工作对粒子物理学产生深远影响”朱利安·施温格美国理查德·菲利普·费曼美国1966年阿尔弗雷德·卡斯特勒法国“发现和发展了研究原子中赫兹共振的光学方法”1967年汉斯·阿尔布雷希特·贝特美国“他对核反应理论的贡献，特别是关于恒星中能源的产生的研究发现”1968年路易斯·沃尔特·阿尔瓦雷茨美国“他对粒子物理学的决定性贡献，特别是因他发展了氢气泡室技术和数据分析方法，从而发现了一大批共振态”1969年默里·盖尔曼美国“对基本粒子的分类及其相互作用的研究发现”1970年汉尼斯·奥洛夫·哥斯达·阿尔文瑞典“磁流体动力学的基础研究和发现，及其在等离子体物理学富有成果的应用”路易·奈耳法国“关于反铁磁性和铁磁性的基础研究和发现以及在固体物理学方面的重要应用"1971年伽博·丹尼斯英国“发明并发展全息照相法”1972年约翰·巴丁美国“他们联合创立了超导微观理论，即常说的BCS理论”利昂·库珀美国约翰·罗伯特·施里弗美国1973年江崎玲于奈日本“发现半导体和超导体的隧道效应”伊瓦尔·贾埃弗挪威布赖恩·戴维·约瑟夫森英国“他理论上预测出通过隧道势垒的超电流的性质，特别是那些通常被称为约瑟夫森效应的现象”1974年马丁·赖尔英国“他们在射电天体物理学的开创性研究：赖尔的发明和观测，特别是合成孔径技术;休伊什在发现脉冲星方面的关键性角色”安东尼·休伊什英国1975年奥格·尼尔斯·玻尔丹麦“发现原子核中集体运动和粒子运动之间的联系，并且根据这种联系发展了有关原子核结构的理论”本·罗伊·莫特森丹麦利奥·詹姆斯·雷恩沃特美国1976年伯顿·里克特美国“他们在发现新的重基本粒子方面的开创性工作”丁肇中美国1977年菲利普·沃伦·安德森美国“对磁性和无序体系电子结构的基础性理论研究”内维尔·莫特英国约翰·凡扶累克美国1978年彼得·列昂尼多维奇·卡皮查苏联“低温物理领域的基本发明和发现"阿尔诺·艾伦·彭齐亚斯美国“发现宇宙微波背景辐射”罗伯特·伍德罗·威尔逊美国1979年谢尔登·李·格拉肖美国“关于基本粒子间弱相互作用和电磁相互作用的统一理论的,包括对弱中性流的预言在内的贡献”阿卜杜勒·萨拉姆巴基斯坦史蒂文·温伯格美国1980年詹姆斯·沃森·克罗宁美国“发现中性K介子衰变时存在对称破坏"瓦尔·洛格斯登·菲奇美国1981年凯·西格巴恩瑞典“对开发高分辨率电子光谱仪的贡献”尼古拉斯·布隆伯根美国“对开发激光光谱仪的贡献”阿瑟·肖洛美国1982年肯尼斯·威尔逊美国“对与相转变有关的临界现象理论的贡献"1983年苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡美国“有关恒星结构及其演化的重要物理过程的理论研究”威廉·福勒美国“对宇宙中形成化学元素的核反应的理论和实验研究”1984年卡洛·鲁比亚意大利“对导致发现弱相互作用传递者，场粒子W和Z的大型项目的决定性贡献”西蒙·范德梅尔荷兰1985年克劳斯·冯·克利青德国“发现量子霍尔效应”1986年恩斯特·鲁斯卡德国“电子光学的基础工作和设计了第一台电子显微镜”格尔德·宾宁德国“研制扫描隧道显微镜”海因里希·罗雷尔瑞士1987年约翰内斯·贝德诺尔茨德国“在发现陶瓷材料的超导性方面的突破”卡尔·米勒瑞士1988年利昂·莱德曼美国“中微子束方式,以及通过发现梅尔文·施瓦茨美国子中微子证明了轻子的对偶结构”1989年诺曼·拉姆齐美国“发明分离振荡场方法及其在氢激微波和其他原子钟中的应用”汉斯·德默尔特美国“发展离子陷阱技术"沃尔夫冈·保罗德国1990年杰尔姆·弗里德曼美国“他们有关电子在质子和被绑定的中子上的深度非弹性散射的开创性研究,这些研究对粒子物理学的夸克模型的发展有必不可少的重要性"亨利·肯德尔美国理查·泰勒加拿大1991年皮埃尔-吉勒·德热纳法国“发现研究简单系统中有序现象的方法可以被推广到比较复杂的物质形式，特别是推广到液晶和聚合物的研究中”1992年乔治·夏帕克法国“发明并发展了粒子探测器,特别是多丝正比室”1993年拉塞尔·赫尔斯美国“发现新一类脉冲星，该发现开发了研究引力的新的可能性"约瑟夫·泰勒美国1994年伯特伦·布罗克豪斯加拿大“对中子频谱学的发展，以及对用于凝聚态物质研究的中子散射技术的开创性研究"克利福德·沙尔美国“对中子衍射技术的发展，以及对用于凝聚态物质研究的中子散射技术的开创性研究”1995年马丁·佩尔美国“发现τ轻子”，以及对轻子物理学的开创性实验研究弗雷德里克·莱因斯美国“发现中微子，以及对轻子物理学的开创性实验研”1996年戴维·李美国“发现了在氦-3里的超流动性”道格拉斯·奥谢罗夫美国罗伯特·理查森美国1997年朱棣文美国“发展了用激光冷却和捕获原子的方法”克洛德·科昂-唐努德日法国威廉·菲利普斯美国1998年罗伯特·劳夫林美国“发现一种带有分数带电激发的新的量子流体形式"霍斯特·施特默德国崔琦美国1999年杰拉德·特·胡夫特荷兰“阐明物理学中弱电相互作用的量子结构"马丁纽斯·韦尔特曼荷兰2000年若雷斯·阿尔费罗夫俄罗斯“发展了用于高速电子学和光电子学的半导体异质结构”赫伯特·克勒默德国杰克·基尔比美国“在发明集成电路中所做的贡献”2001年埃里克·康奈尔美国“在碱性原子稀薄气体的玻色-爱因斯坦凝聚态方面取得的成就,以及凝聚态物质属性质的早期基础性研究”卡尔·威曼美国沃尔夫冈·克特勒德国2002年雷蒙德·戴维斯美国“在天体物理学领域做出的先驱性贡献，尤其是探测宇宙中微子"小柴昌俊日本里卡尔多·贾科尼美国“在天体物理学领域做出的先驱性贡献，这些研究导致了宇宙X射线源的发现”2003年阿列克谢·阿布里科索夫俄罗斯“对超导体和超流体理论做出的先驱性贡献”维塔利·金兹堡俄罗斯安东尼·莱格特美国2004年戴维·格娄斯美国“发现强相互作用理论中的渐近自由”休·波利策美国弗朗克·韦尔切克美国2005年罗伊·格劳伯美国“对光学相干的量子理论的贡献”约翰·霍尔美国“对包括光频梳技术在内的，基于激光的精密光谱学发展做出的贡献，"特奥多尔·亨施德国2006年约翰·马瑟美国“发现宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性"乔治·斯穆特美国2007年艾尔伯·费尔法国“发现巨磁阻效应"彼得·格林贝格德国2008年小林诚日本“发现对称性破缺的来源,并预测了至少三大类夸克在自然界中的存在”益川敏英日本南部阳一郎美国“发现亚原子物理学的自发对称性破缺机制”2009年高锟英国“在光学通信领域光在纤维中传输方面的突破性成就"威拉德·博伊尔美国“发明半导体成像器件电荷耦合器件”乔治·史密斯美国2010年安德烈·海姆俄罗斯“在二维石墨烯材料的开创性实验”康斯坦丁·诺沃肖洛夫俄罗斯2011年布莱恩·施密特澳大利亚“透过观测遥距超新星而发现宇宙加速膨胀”亚当·里斯美国索尔·珀尔马特美国2012年塞尔日·阿罗什法国“能够量度和操控个体量子系统的突破性实验手法"大卫·维因兰德美国2013年彼得·W·希格斯英国对希格斯玻色子的预测[1］[4-6］弗朗索瓦·恩格勒比利时2014年赤崎勇日本“发明一种新型高效节能光源，即蓝色发光二极管（LED）"天野浩日本中村修二美国2015年梶田隆章日本“通过中微子振荡发现中微子有质量。
玻色—爱因斯坦凝聚态，世界不是你想象的那样！
玻⾊—爱因斯坦凝聚态，世界不是你想象的那样！玻⾊—爱因斯坦凝聚态，世界不是你想象的那样关于时间与⽣命的思考，是个⼤的命题，⾃古以来⽆数⼈都在发问。
类似的⽂章，我在《⾮线性变化》⼀书中写过。
⼤概就是两个观点。
⼀是⽣命的意义的不可说；⼆是活着⽐意义更重要。
当时间成为通⽤货币时，你将如何⽣活？《时间规划局》⽚中有个主⾓的朋友，主⾓给了他10年时间，⼀笔巨⼤的财富。
结果他⽤9年的时间买酒喝，暴死街头。
现实⽣活中呢？有⼈中彩票，暴富后很快⼜成了乞丐。
时间对于⼈性的贪欲从来都是残忍的。
⼤家慢慢体会吧。
其实我想说，黄⾦，⾦钱是⽣活通⽤货币，但⼈⽣的通⽤货币还真是时间。
⽣命在于运动，更在于探索。
每天去发现和知道新的知识，对你我来说绝对是美的享受。
玻⾊–爱因斯坦凝聚就是⼀种这样的美丽，可能我们的想象⼒会匮乏到领悟这样的美。
⼀起来认识⼀下吧。
玻⾊–爱因斯坦凝聚是玻⾊⼦原⼦在冷却到接近绝对零度所呈现出的⼀种⽓态的、超流性的物质状态（物态）。
1995年，⿇省理⼯学院的沃夫冈·凯特利与科罗拉多⼤学鲍尔德分校的埃⾥克·康奈尔和卡尔·威曼使⽤⽓态的铷原⼦在170nK（1.7×10?7K）的低温下⾸次获得了玻⾊-爱因斯坦凝聚。
在这种状态下，⼏乎全部原⼦都聚集到能量最低的量⼦态，形成⼀个宏观的量⼦状态。
这幅图像显⽰的是铷原⼦速度的分布，它证实了玻⾊-爱因斯坦凝聚的存在。
图中的颜⾊显⽰多少原⼦处于这个速度上。
红⾊表⽰只有少数原⼦的速度是该速度。
⽩⾊表⽰许多原⼦是这个速度。
最低速度显⽰⽩⾊或浅蓝⾊。
左图：玻⾊-爱因斯坦凝聚出现前。
中图：玻⾊-爱因斯坦凝聚刚刚出现。
右图：⼏乎所有剩余的原⼦处于玻⾊-爱因斯坦凝聚状态。
由于不确定性原理尖部不是⽆穷窄：由于原⼦被束缚于⼀个很⼩的空间，它们的速度必须有⼀个很⼤的范围。
从左图到右图，我们看到原⼦态的变化情况有很⼤的转折。
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（⼀般是基态）。
玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)简介.
玻色-爱因斯坦凝聚（BEC ）玻色-爱因斯坦凝聚现象最早由爱因斯坦预言。
因为玻色子遵循的统计规律，玻色气体中的原子在温度趋近绝对零度时将全部凝聚到能量的基态上。
理想情况下的BEC 完全由玻色气体原子的统计性质造成，而与原子间的相互作用无关。
实验上实现BEC ，需要对玻色气体进行束缚、稀释和冷却，其中的冷却过程在技术上难度最大，也是BEC 实验的关键。
1995年在铷原子气中实现了第一个BEC 系统。
2000年在实验上发现了BEC 中的超流现象，这是继液氦系统之后的第二种超流系统。
与液氦系统相比，BEC 系统具有极弱的相互作用，因而在理论上更容易分析。
同时，BEC 系统的各种物理参数如密度、动能等都在实验上可调。
另外，利用具有自旋的BEC 系统可以进行与自旋有关的超流现象研究，如存在自旋-轨道耦合的BEC 超流及不伴随净质量流的自旋超流等。
相关的理论和实验工作仍在不断取得进展。
本文先通过讨论理想玻色气体在低温下的性质阐明BEC 的量子统计来源，再介绍实验上实现BEC 的束缚、冷却和观测技术，然后介绍与BEC 超流有关的理论和实验方法，最后会简单提及与自旋有关的BEC 超流现象。
1.BEC 的起源：玻色子的统计性质根据量子力学，玻色子在一个量子态上的数目不受任何限制。
以此为基础利用统计系综的方法可以得到理想玻色气体在均匀势场中的粒子数按能级的分布： 111-=-βεεe z a （1） 据此可计算粒子数密度： z z V e z d m h n -+-=⎰∞-111)2(2012/12/33βεεεπ （2） 其中2/32)2(1hmkT n e z πα==-。
右边第二项为基态的粒子数密度。
当温度较高时，1<<z ，（2）式中右边第二项可以忽略，即所有原子都处在0>ε的激发态上。
随着温度降低，使z 接近1时，该项不可忽略，意味着有宏观数目的原子凝聚到基态上。
这便是玻色-爱因斯坦凝聚（BEC ）。
实验证实碱金属气体中的玻色-爱因斯坦凝聚
实验证实碱金属气体中的玻色－爱因斯坦凝聚瑞典皇家科学院将2001年诺贝尔物理奖授予美国科学家威曼（C.E.Wieman）、康奈尔（E.A. Cornell）和德国科学家克特勒（W.Ketterle），以表彰他们在实现玻色－爱因斯坦凝聚（BEC）工作中做出的突出贡献。
BEC——70年前的理论预言稀薄气体中的玻色－爱因斯坦凝聚是70年前爱因斯坦所预言的新物态[1]。
长期以来，人们不知道哪个物理系统能展示这种有趣的物理现象，不少科学家为证实它的存在付出了艰辛的探索。
1995年，威曼、康奈尔和克特勒首先从实验上证实了这种新物态的存在[2,3]，从而开辟了研究相干物质波性质的新领域。
20世纪初叶，热辐射的量子性质是一个倍受关注的科学问题。
普朗克发现了物体热辐射的光谱分布，这可用辐射体发射能量不连续的电磁波来解释。
这种能量不连续的电磁波后来被称为“光量子”。
爱因斯坦接受了“量子”这个概念，用它解释了光电效应，他也因此获得1921年诺贝尔物理学奖。
1924年，印度物理学家玻色给爱因斯坦送去了一篇文章。
在这篇文章中，玻色从纯统计的观点导出了普朗克热辐射光谱分布的表达式，完全没有借助经典电动力学的结果。
玻色把热辐射看成等同的光子气体，认为它服从某种统计规律，现在称为玻色统计。
爱因斯坦意识到这个问题的重要性，将论文译成德文，自己也马上动手研究玻色子的量子统计分布。
爱因斯坦于1924年和1925年先后发表了两篇文章，推广和发展了玻色子量子理论的物理图像。
爱因斯坦指出：如果系统粒子数守恒，完全没有相互作用，在足够低的温度下系统将经历相变，这称为玻色－爱因斯坦凝聚。
玻色没有发现这个特点，因为他讨论的是没有质量的光子，当系统温度降低时，它们将消蚀而无法凝聚。
爱因斯坦的理论预言是基于这样的推论：根据玻色子的量子统计分布，若在有限空间V内有N个粒子，当系统的温度降低时，粒子能量变得微乎其微，粒子可占据的能级数极少，已没有空间容纳多余的粒子。
物质的新状态—玻色—爱因斯坦凝聚—2001年诺贝尔物理奖介绍
的物质 中 ， 有粒子都 处 于能 量的最低 态 ， 所 并且 有相 同 的物理 特征 ． 这种 物质 将 粒 子 的 量 子特 性 通 过 宏 观 的方 式表现 出来 ． 原子而 言 ， 就 只要其 总 的 自旋 量 子 数 为整数 ， 则为 玻 色子 ． 对于 气 体 状 态 的 原子 ， 在 常温下 通常表 现 出经 典粒 子 的 特 点 （ 即原 子 就 如一
２０ ０ １年 １ ０月 ９ 日， 典 皇 家 科 学 院 宣 布 ， 瑞 ２ ０ 年度诺 贝尔 物 理 奖 授 予 美 国 国家 标 准 技 术 研 ０１
斯坦， 爱因斯 坦马上 认识 到该 文 的重要性 ， 并将 其译 成 德 文发表 ． 这 些原 子 当它 们 之 问 的距 并 离足够 近 ． 度足 够 慢 时 ， 发 生相 变 ， 成 一 种新 速 将 变 的物 质 状 态 ， 人 称 之 为 玻 色 一爱 因 斯 坦 凝 聚 后
（ ｏｅ—Ｅｎ ｔｉ ｏ ｄ ｎａｅ ， Ｅ ． 处 于 这 种 状 态 Ｂｓ ｉｓ ｎ ｃｎ ｅ ｓｔｓ Ｂ Ｃ） 在 ｅ
究所 与科 罗拉 多 大学 的联 合 天体 物 理研 究所 （Ｉ ） Ｊ
３ ９岁 的 教 授 科 耐 尔 （ ｒ Ｃ ｍｅ ） ５ 岁 的 教 授 Ｅｉ Ａ． ｏ ｌ 和 ０ ｅ １ 维 曼 （ ａｌ Ｗｉ ａ ） 及 美 国 麻 省 理 工 学 院 （ Ｉ ） Ｃ ｒＥ． ｅ ｎ 以 ｍ ＭＴ
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ
Ｔ ｅ Ｎ ｂ ｌＰ ｚ ｎ Ｐ ｙｉｓ２ ０ ｗ ｓａ ￣ｒｅ ｏ Ｅ ｉ ｈ ｏ ｅ ｒ ｅ ｉ ｈ ｓｃ ０ １ ａ ｖａｄ ｄ ｔ ｒ ｉ ｃ．Ａ． ｏ １， Ｗｏｆａ ｇ Ｋｅｔｄ 、 ａ ｄ Ｃ ｒ． ． Ｃ ｍｅＩ ． ｌ ｎ ｔ ｅ ｎ ａｔ Ｅ ｇ ｅ
2001年诺贝尔物理学奖——“爱因斯坦凝聚态”以及“凝聚态物质性质早期基础性研究”
2001年诺贝尔物理学奖——“爱因斯坦凝聚态”以及“凝聚态物质性质早期基础性研究”2001年诺贝尔物理学奖分别授予美国科学家艾里克A.科纳尔、德国科学家沃尔夫冈.凯特纳以及美国科学家卡尔E.威依迈，以表彰他们对“碱性原子稀薄气体的玻色—爱因斯坦凝聚态”以及“凝聚态物质性质早期基础性研究”方面所取得的成就。
三位科学家获得2001年诺贝尔物理奖的理由是取得了在淡气中实现碱性原子的博斯-爱因斯坦冷凝，揭示了一种新的物质状态：博斯-爱因斯坦冷凝物。
人们都知道激光与普通灯光不同，在激光中所有光粒都具有相同的能量与振荡，因此如何控制其它光束达到同样的状态一直就是对物理科学家的一种挑战。
德美三位科学家获诺贝尔物理学奖的原因，就在于他们在实验中证实了“玻色－爱因斯坦凝聚”。
2001年的诺贝尔物理学奖得主成功地解决了这一问题，他们使得原子能够“合谐地歌唱”，这样就发现了一种新的物质状态：博斯-爱因斯坦冷凝。
1924年印度物理学家博斯提出了一个关于光粒计算的重要理论，并将结果发给了爱因斯坦，爱因斯坦将这一理论扩展扩展到了特定类型的原子。
爱因斯坦预计，如果这种类型的原子气体被降低到极低的温度，那么所有的原子就会突然聚集在一种尽可能低的能量状态。
这种过程与从气体中滴下一滴液体相似，因此称为博斯-爱因斯坦冷凝，上述三位物理学家的成就在于成功证实了这一理论。
康奈尔和维曼合作研究并于1995年证实了“玻色－爱因斯坦凝聚”。
实验成功的首要条件是把温度降低到几乎绝对零度，这非常困难，而这两位科学家把温度降低到了与零下273．16摄氏度的绝对零度相差不足1700亿分之一摄氏度的水平上，刷新了当时全球低温纪录。
获得物理学奖的三位科学家的发现犹如是找到了让原子“齐声歌唱”的途径，为当今物理学家研究爱因斯坦理论提供了一个平台，其在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域有非常美好的应用前景。
以芯片技术为例，传统的芯片技术目前已经接近发展极限。
诺贝尔和诺贝尔物理学奖
诺贝尔和诺贝尔物理学奖诺贝尔（Alfred Bemhard Nobel，1833—1896）是一位瑞典发明家的儿子，他从小健康欠佳，因此主要靠家庭教师教育。
他曾在彼得堡学习工程，也曾到美国，在伊里克逊（John Ericsson）指导下学习了大约一年。
诺贝尔在他父亲的工厂里做实验时，发现当把甘油炸药分散在漂白土或木浆之类的惰性物质中时，可以更安全地处理。
他还发明了其它炸药和雷管，并取得了这些发明的专利权。
诺贝尔因炸药的制造和巴库油田的开发而得到了一笔巨额财产。
他终生未婚，被认为是一个有自卑感和孤独感的人。
他对同伴常抱一种嘲笑态度，但他为人心肠慈善，对人类的未来满怀希望。
诺贝尔留下9百万美元的基金，他在遗嘱中写道：“这些基金的利息每年以奖金的形式分发给那些在前一年中对人类做出最大贡献的人，上述利息分为相等的五部分：一部分奖给在物理学领域有最重要发现和发明的人；一部分奖给在化学上有最重要发现和改革的人；一部分奖给在生理学或医学上有最重要发现的人；一部分奖给文学领域内著有带理想主义倾向的最杰出作品的人；一部分奖给在促进国家之间友好、取缔或裁减常备军以及举行和促进和平会议方面做出显著贡献的人。
“物理学奖和化学奖由瑞典科学院颁发，生理学或医学奖由斯德哥尔摩的加罗琳斯卡研究院颁发，文学奖由斯德哥尔摩研究院颁发，和平奖由挪威议会推选出的一个五人委员会颁发。
”诺贝尔的遗产留给了一个当时并不存在的基金会。
1897年元月，当他的遗嘱宣读后，他的某些亲属曾对此提出了争议。
一些被委派负责颁发奖金的机构（因事先都未曾商量）开始时也对承担这一困难任务感到犹豫，三年后问题才得到解决，l900年6月作为遗产合法继承者的诺贝尔基金会成立，1900年12月颁发了第一届诺贝尔奖。
诺贝尔提出奖金只授予“前一年间”所做的工作这一规定，从一开始就未实行。
这是因为推选委员会考虑到要确认一项成果对物理学的贡献的价值，往往需要许多年。
诺贝尔奖不授予毕生的工作，而授予那些有特殊成果的工作。
【doc】玻色——爱因斯坦凝聚——2001年诺贝尔物理奖评介
玻色——爱因斯坦凝聚——2001年诺贝尔物理奖评介第14卷第2期2002年6月安康师专JournalofArllcangTeachersCollegevo1.14№2June.20o2玻色——爱因斯坦凝聚一2001年诺贝尔物理奖评介张刚,胡必禄(安康师范专科学校,陕西安康725ooo)摘要:评介了实现玻色一爱因斯坦凝聚的物理思想,可能应用和进展. 关键词:玻色一爱因斯坦凝聚;激光冷却;蒸发冷却中图分类号:04—1文献标识码:A文章编号:1009—024X(2OO2)02—0O94—03Bose..EinsteinCondensatino__--_._____._.——CommentonYear2001NobelPrizeforPhysicsZHANGGang,HUBi—lu(4dmngTeachersCollege,Ankang725000,China)Abstract:11_Iisthesisgivesadescriptionofthephysicalthoughts,applicatio nanddevelopmentofrealjsingBose—EinsteinKeywords:Bose—Eh~tein.;LaserCooling;L~porative(b0djng1引言玻色一爱因斯坦凝聚是二十世纪最为重大的科学发现之一.目前世界上大约有2O多个实验室已成功地实现了玻色一爱因斯坦凝聚态,现已成为全球性的一个研究热点,几乎每月都有新的成果发表.玻色一爱因斯坦凝聚态是物质的极端状态表现,在这种状态下的物质,具有许多有趣的性质和应用.因而,它不仅可能会迅速地推动自然科学的发展,从而引起新的技术革命,而且对哲学,社会科学也将会产生深远的影响.1995年,美国的埃里克?康奈尔(EricA?Comel1)和卡尔,维曼(Carle?Wieman),德国的沃尔夫冈?科特勒(Wolfgang?Ketterle)先后成功地从碱金属原子的稀薄气体中获得了玻色一爱因斯坦凝聚态,因而获得了2001年的诺贝尔物理奖.维曼的主要贡献是提出了先用激光冷却碱金属原子气体,然后用蒸发冷却技术进而冷却原子,从而获得玻色一爱因斯坦凝聚态.而康奈尔和科特勒则分别用旋转磁场法,强激光汇聚磁阱中心法解决了磁阱中原子的漏出问题.另外,科特勒还为实现原子激光作出了杰出的贡献.但值得指出的是,这三位教授的研究成果,是在前人研究的基础上而获得的.1997年诺贝尔物理奖获得者朱隶文等三人关于激光冷却和捕陷气体原子的研究成果,就是一个典型例子.可以说,如果没有朱隶文等人的研究成果,就无法让原子”齐声歌唱”的奇观出现.玻色一爱因斯坦凝聚,从理论提出,到它的实现,风雨沧桑,整整经历了7O年,而今,它仍然是一门年轻的前沿科学.现综述评介如下.2历史回顾收稿日期:2002—04—05作者简介:张刚(1968一),男,陕西安康人,安康师范专科学校计算机中心实验师;胡必禄(19弘一),男,陕西安康人,安康师范专科学校物理系副教授.94张刚,胡必禄:玻色——爱因斯坦凝聚1924年,年仅30岁的印度科学家玻色用英文写了一篇题为《普朗克准则和光量子假设》的论文…寄到英国,因未发表,于是他于7月将这篇论文寄给爱因斯坦,请他翻译成德文,在德国发表.爱因斯坦看后,觉得玻色解决了他不能解决的问题,立即译成德文,推荐发表在德文的物理期刊上.玻色的这篇论文的闪光点是把光子水化.他认为光与平常的水类似,都是由一滴一滴的冻结方法组成的.爱因斯坦将此理论推广运用于原子上,认为很多原子即使它们之间没有相互吸引的作用,但在很低的温度下,它们也会在系统尽可能低的能级上冻结起来.这就是大有所称的玻色～爱因斯坦凝聚.1925年爱因斯坦进而指出,当原子的德布罗依波长入D大于原子间的平均距离时,才会实现这种凝聚.但不是所有原子都可实现这种凝聚,因为粒子有两类:一是自旋为整数的玻色子,二是自旋为半整数的费米子,玻色子的分布不服从泡利不相容原理,因而能级上占据的粒子数目不限,但费米子却与此恰巧相反,故不能用费米子来实现玻色一爱因斯坦凝聚态.不过,偶数费米子的束缚态,在忽略共内部运动时也可认为是玻色子,如由一个质子和一个电子组成的氢原子,库珀电子对等都可认为是玻色子.3激光冷却与捕陷原子入与原子的密度8相匹配,是实现玻色一爱因斯坦凝聚的关键.原子问的距离要稍比化学力的作用范围大点,否则在凝聚前原子会形成分子.因此在原子密度一定的情况下,要尽可能地增大入D.依据[].:ha……’(1)知,A,随着绝对温度7’的减少而增大.式中K是玻尔兹曼常量,n和s 是联系粒子能量￡和动量P的两个参数,即￡:ap,凡为系统的维数.若系统处于非相对论的情况时,则n=(m为原子的质量),S=2.由于温度是粒子随机运动快慢的一种衡量,因而冷却原子就是去减慢它的运动速度.那么如何减慢原子的运动速度而使.尽可能的增大呢?通常是采用激光冷却和蒸发冷却相结合的办法来实现的.3.1激光冷却与捕陷原子激光的单色性使它成为极低温度的系统.早在1975年时,亨斯(Hansch)和肖洛(Shawalow)就提出了用激光冷却中性原子的建议.1979年Balykin等人终于实现了激光冷却钠原子.激光场是高斯型分布的,当原子迎激光束方向运动时,原子要吸收光子的能量和动量,而在自发辐射光子时,则由于自发辐射光子方向的随机性和各向同性,因而其反冲量平均为零,这样,原子就获得了净的动量变化而受力,这个力叫散射力或自发辐射力,它使原子受阻而减速.另外,由于原子在不均匀的光场中感应而生成偶极矩,偶极矩与光场相互作用而受力,这力叫偶极力,也叫梯度力,它产生的根源在于光场的多模性,是原子与光场相互作用时,不断地受激吸收和受激发射不同动量的光子所产生的,在正失谐时,这力把原子拉向光弱处,负失谐时把原子拉向光强处.因此,偶极力可捕陷原子.3.2激光阱,磁阱,蒸发冷却所谓激光阱,磁阱,实际上是用光场或磁场对原子造成的一种特殊的势能区.原子的动能小于一定值时,它就跑不出这个势能区,即原子被捕陷于势阱中.通常在实现玻色一爱因斯坦凝聚的研究中,都是先用激光冷却气体原子技术冷却原子,然后将这已冷却到一定程度的原子捕陷于磁阱中,再用蒸发冷却技术使原子的密度和温度满足发生玻色一爱因斯坦凝聚的条件.磁阱是由一对反向联接的亥姆霍兹线圈桅成的四极阱【引,其中心处磁场强度为零.这样,经过该95第14卷安康师专2(102年第2期处的原子将因其磁极可能改变而漏出.为了克服这个缺点,康奈尔提出在原磁场上再叠加一个旋转足够快的磁场,使磁场为零的点在平面上旋转,因而在磁阱中运动的原子始终到不了磁场为零的点,从而保证了磁阱中有一定的原子密度.然后再用射频场对原子进行蒸发冷却,这时原子磁极反转,:引力变成斥力,因而用逐步适当降低频率的办法就可把温度较高的原子逐步蒸发掉,于是不仅进一步地降低了原子的温度,而且也增加了原子的密度.若任一激发态上的原子数为f(E),基态上的平均原子数为f(0),则【_e(Eo (2)由(2)式可见,当卜0K时,f(E)一O,即系统中的原子几乎全部都在基态上凝聚.4应用与进展自1995年首次实现了玻色一爱因斯坦凝聚以来,人们对这种新物态的研究一直特别重视.这种物态在性质上与气态,液态,固态,等离子态不同,是物质的第5态.这种物态的实现,不仅为自然辩证法,哲学提供,新的研究素材,而且还可能在集成电路,精确定位,纳米技术,生物分子学,非线性光学等方面也有重要应,其前景十分诱人.铷原子的玻色一爱因斯坦凝聚态实现后,接着先后又实现了钠原子,氢原子,锂原子,亚稳态的氢原子的玻色一爱因斯坦凝聚.目前,研究人员正在用更多种类的原子来实现玻色一爱因斯坦凝聚.最近,德国科研人员成功地实现了玻色一爱因斯坦凝聚态下,铷原子气体的超流体态与绝缘态的可逆转换,这是玻色一爱因斯坦凝聚研究的”里程碑”.另外在研究的设备,方法上也有新的突破.例如,玻色一爱因斯坦凝聚可在片上的一个小磁光阱中形成就是一个典型的例子.现在,世界上如日本,英国,新西兰等一些国家都已先后实现了玻色一爱因斯坦凝聚.在这一研究领域中,我国科学家王育竹院士早就作了许多原创性工作,但因当时经费不足,无法买回两台价值120万元的激光器,因而延缓了实验时间,错过了他可能获得诺贝尔物理奖的机遇ol51由此可见,中国科学家是有能力走向诺贝尔奖领奖台的.这就需要进一步地尊重人才,重视基础研究,给予必要的物质保证.[参考文献][1]史天一,陈荫明.中国大得科全书[M].北京:中国大百科全书出版社,1987.(63)[2]严子浚.普遍色散关系下的热波长[J].大学物理,2001,(12):3.[3]王晓辉,李义民,王义道.玻色一爱因斯坦凝聚的物理实现及其应用展望[J].物理1998,(1):5[4]余守宪,唐莹.费米一狄拉克分布与玻色一爱因斯坦分布的简单推导[J].物理与工程,2001,(2):15[5]毕东海.与诺贝尔奖擦肩而过[J].世界科学,2001,(1):47.。
2001年诺贝尔化学奖简介
模一样，但其空间结构完全 不同，它们构成了实物和镜 像的关系，和人照镜子一样，也 可以比作左右手的关系，所以叫
手性分子。
• 在生命的产生和演变过程中，自然 界往往对一种手性有所偏爱，如自 然界存在的糖为D-构型，氨基酸为 L-构型，蛋白质和DNA的螺旋构象 又都是右旋的。所以，手性药物、 农药等化合物两个异构体表现
• 这不仅仅成为了世界上第一例手性 合成工业化的例子，而且更重要的 是成为了不对称催化合成手性分子 的一面旗帜，极大地促进了这个研 究领域的发展。
• 此后，日本的野依良治对其工作进 行了创造性的发展。发明了以手性 双膦BINAP为代表的配体分子， 通过与合适的金属配位形成了
一系列新颖高效的手性催化 剂，用于不对称催化氢化反应，
得到了高达100%的立体选择性，以及 反应物与催化剂比高达几十万的活性， 实现了不对称催化合成的高效性和实 用性，将不对称催化氢化反应
提高到一个很高的程度。
• 夏普雷斯则是从另一个侧面 发展了不对称催化反应。早
在20世纪80年代初，利用C2对称的 天然手性分子酒石酸与四氯化钦形 成的络合物为催化剂，实现了烯烃 的不对称环氧化反应，并在此后的 将近10年的时间里，从实验和理论 两方面对这一反应进行了改进和完 善，使之成为不对称合成研究
BACK
• K-巴里-夏普雷斯 • (美国有机化学家)
• 来自美国加利福尼亚Scripps研究 学院。 • 1941年出生于美国宾西法尼亚州 费城。 • 1968年获斯坦福大学博士学位。 • 1990年起，任美国Scripps研究学 院化学教授。
BACK• 反应停（酞胺哌啶 Nhomakorabea）• 功能主治：为一种镇静剂，对 于各型麻风反应如发热、结节 红斑、神经痛、关节痛、淋巴 结肿大等，有一定疗效，对结 核样型的麻风反应疗效稍差。 • 据说它能在妊娠期控制精神紧 张，防止孕妇恶心，并且有安 眠作用。
铷原子的玻色爱因斯坦凝聚
铷原子的玻色爱因斯坦凝聚铷原子的玻色爱因斯坦凝聚，是一种量子物理现象，它在物理学研究中具有重要意义。
在本文中，将分别介绍铷原子、玻色爱因斯坦凝聚及其研究意义。
一、铷原子铷原子是一种化学元素，它的原子序数为37，属于碱金属元素。
铷原子的核外电子排布为2-8-18-8-1，因此其电子层结构为1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 5s1，其中5s1为价电子。
铷原子的质量为1.465x10^-25kg，半径为2.5×10^-10m。
铷原子在实验研究中也被广泛应用。
二、玻色爱因斯坦凝聚玻色爱因斯坦凝聚，是一种高度冷却气体的量子现象，是一些玻色粒子在低温下发生聚合现象，造成物质凝聚成为一个单一的波函数。
该现象由爱因斯坦与印度物理学家玻色共同提出，并在1995年被实验观测到。
在玻色爱因斯坦凝聚中，所有粒子处于相同的能量状态，因此它们的行为可以被描述为同一个波函数，这使得它们能够以不同于凝聚体的方式运动。
玻色爱因斯坦凝聚的形成需要较低的温度，一般需要把气体冷却至几千亿分之一度的温度，通常使用激光束以及凝聚冷却技术，将气体原子从对应的高能态降到低能态，从而使气体原子能够形成凝聚体。
三、铷原子的玻色爱因斯坦凝聚铷原子同样可以形成玻色爱因斯坦凝聚。
在实验研究中，将铷原子加强光束的作用下进行冷却，使其温度降至几乎为绝对零度。
铷原子在低温状态下，开始发生玻色爱因斯坦凝聚，形成一个凝聚体，其中所有铷原子都具有相同的量子状态。
铷原子的玻色爱因斯坦凝聚，在现代物理学研究中有着重要的意义。
首先，它是量子纠缠的经典范例，因为所有粒子处于同一波函数，它们的状态之间相互影响并且都是不可分离的。
其次，铷原子的玻色爱因斯坦凝聚还可以用于制造精密仪器等领域，因为凝聚体的性质可以通过微小的变化来改变。
因此，铷原子的玻色爱因斯坦凝聚，给现代物理学和科技带来了深远的影响。
四、总结铷原子的玻色爱因斯坦凝聚，是一种重要的量子物理现象。
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粒子 的几 率 可 以 忽 略 ． 总 粒 子数 为 Ⅳ 现 可 将 最 但 低能 态粒 子数 和激发态 粒 子数 分开写 为
印度 的物 理学家 玻 色 给爱 因斯 坦 进 去 了一 篇 文 章 ， 文中玻 色从 纯统 计 的观 点 ， 即把 热 辐 射看 成 等 同的 光子气 体 ， 服 从 某 种 统 计 规 律 （ 在 称 为玻 色 统 并 现 计 ）完全 没 有凭藉 经 典 电动 力学 的结 果 ， 导 出普 ， 推 朗克热 辐射 光谱 分 布 ． 因斯 坦 意识 到这 个 问题 的 爱
可用 辐射 体发射 能量 的不 连续性来 解 释 ， 称为 “ 后 光 量 子 ” 爱 因 斯 坦 接 受 了 “ 子 ” 个 概 念 ， 释 了 光 ． 量 这 解 电 效 应 ． 此 ， 获 得 １２ 据 他 ９ １年 度 诺 贝 尔 奖 ．９ ４年 ， １２
个 量 子 态 上 ． 句 话 说 ， 一 个 态 上 找 到 多 于 一 个 换 在
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摘
要
介绍 了 ２０ ０ １年度 诺 盟 尔 物 理 奖 的科 学 成 就 ， 述 了碱 金属 气 体 中 的 玻 色 一爱 因 斯坦 凝 聚研 究 历 史 ， 简 评
述 了它 对 物 理 科 学 和 社 术 科 学 的 影 响 ． 关 键 词 玻 色 一爱 因 斯 坦 凝 聚 ， 光 冷 却 ， 激 碱金 属气 体
３ 卷 （０２年 ）５期 １ ２Ｏ
Ⅳ＝Ⅳ ＋∑ｎＥ） 。 ＿『 （．，
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２Ｏ Ｏ １年 度 诺 贝 尔物 理 奖 介 绍
王育竹
李明哲
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中国 科 学 院 上 海 光 学精 密 机 械 研 究 所 量 子 光 学 重 开 放 实 验 室 上海
重 要 性 ， 论 文 译 成 德 文 发 表 ， 且 马 上 动 手 研 究 单 将 并
原子理 想气 体的量 子统 计分 布 ．９４年和 １２ １２ ９ ５年 他 先后发 表 了两篇 文 章 ， 推广 和发 展 了玻 色 的量 子统
计 理 论
们 在实 现玻色 一爱 因斯 坦凝 聚 （ Ｅ ） 作 中做 出 的 Ｂ Ｃ工 突出贡献 ， 稀薄 气体 中的玻 色 一爱 因斯 坦 凝 聚是 ７ Ｏ