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物质状态:玻色-爱因斯坦凝聚

当物理学家把光的光子转变成一种叫做玻色-爱因斯坦凝聚态的物质状态时,产生了一个“超级光子”。波恩大学的扬·克莱尔,

中的五个态物质都能在,玻色-爱因斯坦凝聚态或许是最神秘的。气体、液体、固体和等离子体都被研究了几十年,甚至几百年;玻色-爱因斯坦凝聚体直到20世纪90年代才在实验室产生。

玻色-爱因斯坦凝聚体是一组被冷却到绝对零度的原子。当它们达到那个温度时,原子几乎不会相对移动;它们几乎没有自由能这样做。这时,原子开始聚集在一起,进入相同的能量状态。从物理的角度来看,它们变得完全相同,整个原子团的行为就好像它是一个单一的原子。

要形成玻色-爱因斯坦凝聚体,首先是一团弥漫的气体。许多实验都是从铷原子开始的。然后你用激光冷却它,利用光束从原子中带走能量。之后,为了进一步冷却,科学家们使用蒸发冷却。”布法罗大学物理学教授胡学东(音译)说:“随着玻色-爱因斯坦凝聚态的出现,你从无序状态开始,那里的动能大于势能。”你把它冷却下来,但它不像固体那样形成晶格。

相反,原子落入相同的量子态,彼此无法区分。这时,原子开始服从所谓的玻色爱因斯坦统计,这种统计通常应用于你无法区分的粒子,例如光子。

理论和发现

玻色爱因斯坦凝聚体最初是由印度物理学家萨蒂安德拉·内特·博斯(1894-1974)在理论上预言的,他还发现了以他命名的亚原子粒子,玻色子。玻色正在研究量子力学中的统计问题,并把他的想法寄给了爱因斯坦。爱因斯坦认为它们很重要,足以出版。同样重要的是,爱因斯坦发现玻色的数学-后来被称为玻色爱因斯坦统计-可以应用于原子和光。

两人发现的通常是,原子必须有一定的能量——事实上量子力学的一个基本原理是原子或其他亚原子粒子的能量不能是任意的。举例来说,这就是为什么电子有它们必须占据的离散“轨道”,以及当它们从一个轨道或能级下降到另一个轨道时,它们发出特定波长的光子的原因。但是,将原子冷却到绝对零度的十亿分之一以内,一些原子开始落入相同的能级,变得难以区分。

这就是为什么玻色-爱因斯坦凝聚态中的原子表现得像“超级原子”的原因。当人们试图测量它们的位置时,人们看到的不是离散的原子,而是一个模糊的球。

物质的其他状态都遵循泡利排斥原理,以物理学家沃尔夫冈·泡利的名字命名。保利(1900-1958)是奥地利出生的瑞士和美国理论物理学家,也是量子物理学的先驱之一,他说费米子——构成物质的粒子——不可能处于相同的量子态。这就是为什么当两个电子在同一个轨道上时,它们的自旋必须是相反的,所以它们加起来等于零。这又是化学工作方式的一个原因,也是原子不能同时占据同一空间的一个原因。玻色-爱因斯坦凝聚体打破了这一规则。“KdSPE”“KDSPs”虽然理论认为应该存在这样的物质状态,但直到1995,埃里克·康奈尔和Carl E. Wieman两个实验室的天体物理学研究所(JILA)都在Boulder、科罗拉多和麻省理工学院沃尔夫冈·克特勒建立了一个。他们因此获得了2001年诺贝尔物理学奖。

在2018年7月,国际空间站上的一个实验将一团铷原子冷却到了1000万吨绝对零度以上的h,在空间中产生玻色-爱因斯坦凝聚。这个实验现在也保持了我们所知的太空中最冷物体的记录,尽管它还不是人类创造的最冷的东西。

额外的资源玻色-爱因斯坦凝聚体:它是什么,这个想法是从哪里来的?玻色爱因斯坦凝聚体——2001年诺贝尔物理学奖揭晓宇宙中最酷的地方

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