瑞典皇家科学院10月9日宣布，将2001年诺贝尔物理学奖授予美国科学家埃里克·康奈尔、卡尔·维曼和德国科学家沃尔夫冈·克特勒，以表彰他们根据玻色－爱因斯坦理论发现了一种新的物质状态——“碱金属原子稀薄气体的玻色－爱因斯坦凝聚（BEC）”。
埃里克·康奈尔1961年出生于美国加利福尼亚州，1990年获得美国麻省理工学院物理博士头衔，现就职于美国国家标准与技术研究所。卡尔·维曼1951年出生于美国俄勒冈州，1977年获美国斯坦福大学物理博士头衔，现为美国科罗拉多大学教授。沃尔夫冈·克特勒1957年出生于德国的海德堡，1986年获德国慕尼黑路德维希－马克西米利安大学物理博士头衔，现为美国麻省理工学院物理教授。
上世纪初，在黑体辐射和光电效应的研究中诞生了量子概念，光的量子被称为光子。1924年印度物理学家玻色提出黑体辐射是光子理想气体的观点，他研究了“光子在各能级上的分布”问题，以不同于普朗克的方式推导出普朗克黑体辐射公式。他将这一结果寄给爱因斯坦。爱因斯坦意识到玻色工作的重要性，立即着手这一问题的研究。他于1924和1925年发表两篇文章，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，这就是我们所说的玻色－爱因斯坦凝聚。在很长一段时间里，没有任何物理系统被认为与玻色－爱因斯坦凝聚现象有关。1938年，伦敦提出低温下液氦的超流现象可能是氦原子玻色凝聚的体现，玻色－爱因斯坦凝聚才真正引起物理学界的重视。
除了用于解释超流和超导外，玻色－爱因斯坦凝聚这一概念已经扩展到物理学的很多领域，如半导体物理学、天体物理学以及基本粒子物理学等。虽然超流和超导等都显示了玻色－爱因斯坦凝聚现象的存在，但这些系统都很复杂，凝聚现象只部分地发生在这些系统中，系统中的强相互作用也使得玻色－爱因斯坦凝聚现象表现得不那么明显。在上个世纪五十年代，物理学家发展了很多弱相互作用玻色系统的理论，华人物理学家杨振宁、李政道和黄克逊在这方面做了很出色的工作。然而这些理论在1995年之前都没有得到很好的验证。由于气体中原子之间的相互作用很弱，更接近于爱因斯坦提出这一概念的系统，同时也使得理论与实验的比较变得容易。在气体中实现玻色－爱因斯坦凝聚成为物理学家长期的梦想。
1995年6月，维曼和康奈尔的研究组在铷（87Rb）原子蒸气中第一次直接观测到玻色－爱因斯坦凝聚。几个月后，麻省理工学院的沃尔夫冈·克特勒研究组在钠（23Na）原子蒸气中实现了玻色－爱因斯坦凝聚。此后，这个领域经历了爆发性的发展。目前世界上已有近30个研究组在稀薄原子气中实现了玻色－爱因斯坦凝聚，其中包括日本的三个研究组。
玻色－爱因斯坦凝聚体所具有的奇特性质，使它不仅对基础研究有重要意义，而且在芯片技术、精密测量和纳米技术等领域都让人看到了非常美好的应用前景。凝聚体中的原子几乎不动，可以用来设计精确度更高的原子钟，以应用于太空航行和精确定位等。凝聚体具有很好相干性，可以用于研制高精度的原子干涉仪，测量各种势场，测量重力场加速度和加速度的变化等。原子激光也可能用于集成电路的制造，大大提高集成电路的密度，因此将大大提高电脑芯片的运算速度。凝聚体还被建议用于量子信息的处理，为量子计算机的研究提供另外一种选择。随着对玻色－爱因斯坦凝聚研究的深入，谁敢说它不会像激光的发现那样给人类带来另外一次技术革命？
我国在这一领域工作的物理学家大多从事理论研究，在国际上发表了一批有一定影响的成果。中科院上海光机所、北京大学等单位也正从事这方面的实验研究，在激光冷却以及原子囚禁方面取得了一定突破，然而离实现玻色－爱因斯坦凝聚尚有一段距离。这与我国在这个领域长期投入和积累不够有关。在这领域，我们已经失去了争取在国际上占有领先地位的最佳机遇。然而这个领域是我国不能放弃的一个领域，它对基础研究和应用研究都具有重要的意义。我国应加强这方面人才的培养和引进，加强基础性实验室的建设，加大投资力度，使我国尽快赶上国际水平。
点评人：史华林
史华林1998年获中国科学院理论物理所理学博士学位，1998年至2000年在美国特拉华大学进行博士后研究。自1996年初开始从事玻色－爱因斯坦凝聚理论方面研究。现为中科院理论物理所副研究员，中科院“引进国外杰出人才计划”入选者。
 |
