玻爱凝聚态是什么
来源:学生作业帮助网 编辑:作业帮 时间:2024/09/02 10:15:23
玻爱凝聚态是什么
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BEC玻色爱因斯坦凝聚 诺贝尔奖自1901年颁发以来,一直是世人所公认的最高荣誉奖项. 在它的六个奖项中,物理学、化学和医学(或生理学)奖尤为引人注 目.下面仅就自己所熟知的领域谈谈物理学奖的概况.今年是诺贝尔 奖颁发百年纪念,因此这次物理学奖的颁发被人们认为有着特殊的意 义,Nature、Science以及各种媒体都先后聚焦于10月9日.美国麻省理 工学院(MIT)的Wolfgang Ketterle和科罗拉多大学JILA研究所的Carl Wieman,Eric Cornell因实验上实现玻色-爱因斯坦凝聚(简称BEC) 现象而分享了本年度诺贝尔物理学奖.
三位获奖者,从左至右分别为Ketterle, Cornell和Wieman BEC是物质的一种奇特的状态,处于这种状态的大量原子的行为 像单个粒子一样.打个比方,练兵场上的士兵刚解散不久,突然指挥 官发令“向东齐步走”,于是所有的士兵像一个士兵一样整齐的向东 走去.如果将士兵缩小到原子尺度,以至于分辨不出谁是谁,我们便 看到了“BEC”.那为什么冠以玻色-爱因斯坦的名字呢?有这样一 段插曲. 1924年,年轻的印度物理学家玻色寄给爱因斯坦一篇论文,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体系中所有的原子(或分子)都是可以辨别的, 我们可以给一个原子取名张三,另一个取名李四……,并且不会将张 三认成李四,也不会将李四认成张三.基于这一假定的传统理论圆满 地解释了理想气体定律,可以说取得了非凡的成功.然而玻色却挑战 了上面的假定,认为在原子尺度上我们根本不可能区分两个同类原子 (如两个氧原子)有什么不同.接着,玻色讨论了如下一个问题(这 个问题所有高中生都做过):将N个相同的小球放进M个标号为1,2,…, M的箱子中,假定箱子的容积足够大,有多少种不同的放法?在此问 题的基础上,采用传统统计相似的作法,玻色便得到了一套新的统计 理论. 玻色的论文引起了爱因斯坦的高度重视,迅速帮玻色译成德文发 表.随后将玻色的理论用于原子气体中,进而推测在足够低的温度下, 所有原子有可能处在相同的最低能态上,所有的原子的行为像一个粒 子一样.后来物理界将这种现象称为玻色-爱因斯坦凝聚.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. 爱因斯坦的预测引起了实验物理学家的广泛兴趣.然而实现BEC 的条件极为苛刻和“矛盾”:一方面希望达到极低的温度,另一方面 还要求原子体系处于气态.实现低温的传统手段是蒸发制冷;而朱棣 文、Cohen-Tannoudj和Phillips发展的激光冷却和磁阱技术是另一种有效 的制冷方法,他们三人因此分享了1997年度诺贝尔物理学奖.1976年, Nosanow和Stwalley证明在任意低温下处于自旋极化的氢原子始终能保 持气态,则为实现第二个要求提供了希望. 但遗憾的是,众多的实验物理学家将自旋极化的氢原子气体降温, 并未观察到BEC现象.于是Wieman和Cornell开始将兴趣转向碱金属原 子气体,1995年,他们将铷原子限制在磁阱中进行激光冷却首次成功 的观察到原子气的BEC现象.同年,MIT的Ketterle也在钠原子气中实 现了BEC.BEC的实现不仅在基础研究方面具有重大意义,还可能在 “原子芯片”和量子计算机等方面有广泛的应用前景.因此今年的诺 贝尔l物理学奖授予Wieman、Cornell和Ketterle以表彰他们在BEC实验 方面的开创性工作.
Ketterle在纳原子气中实现的BEC,图片引自 MIT的BEC网页 从实现BEC的历程来看,有以下两个必备的客观条件:首先是理 论准备(玻色和爱因斯坦的工作),其次是实验手段的进步(朱棣文 等人的工作).剩下的就是个人的素质了,要有眼光,走对路(Wieman、 Cornell和Ketterle选择碱金属原子气体作为冷却的对象).这样看来, 诺贝尔物理学奖似乎不是什么神秘的东西.因此有人就会问为什么中 国内地就没有出现诺贝尔奖呢?下面谈谈我的个人看法. 诺贝尔物理学奖的宗旨是:“奖给在物理学领域内作出最重要的 发现或发明的人”.从这一宗旨来看,目前内地的实验条件远远达不 到产生诺贝尔(实验)奖项的条件,在理论工作领域出现突破可能相 对容易一些,但这些突破必须是重大的原始创新,它实质上是科学气 氛于科学精神的产物,以下条件是必不可少的: 思想开放,不迷信权威.创新就是要打破某些已有的定论,因循 守旧,盲从权威是不可能有所创新的.中国的知识分子经历了太多的 苦难以及封建思想的残余,以至于思想里保守成分多,权威意识过强, 传统教育中以循规蹈矩为优等等都不利于创新. 科学文化的沉淀.任何重大创新不是凭空冒出来的,创新必须以 继承已有的优秀科学成果和思想方法为前提,这种科学文化需要长时 间的积累.而中国内地真正科学文化的萌芽起于1919年的五四运动, 后来又受文革的严重冲击,因此真正的科学文化沉淀也就20来年时间, 比起西方三四百年简直是小菜. 热情奔放而又执著追求科学的年轻人.据中科院2001年科学发展 报告统计,诺贝尔物理学奖得主作出代表性工作的平均年龄为36岁, 他们从很小就开始对物理学感兴趣并一直钟爱着物理学.他们能如此 执著,一方面是经济条件还不错,更重要的是他们从小所受的教育是 以充分发挥自己的个性为主.而内地的教育更乐意将学生培养成标准 的螺丝钉,学生本人则很少有太多的想法和目标,在经济大潮的影响 下立刻便沉到“海”里去了. 总之,诺贝尔物理学奖是在继承前人优秀的成果基础上的重大创 新,目前中国内地并不具备上述创新的条件.但值得庆幸的是,自改 革开放以来,思想界也有所解放,国家对科学重视程度提高,国际交 流与合作也日益广泛和深入,我想经过漫长时间的努力,中国大陆有 望出现诺贝尔物理学奖.http://free.newgxu.cn/physical/kexueshihua/papers/3.htm