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最大的寒意

物理学家期望在物质接近绝对零度时看到一些非常奇怪的现象。

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不久前,“宇宙中最冷的地方”还在星系之间广阔而空旷的太空中漂流。那里的原子仅被大爆炸遗留下来的微弱能量噼啪声加热,温度不超过华氏零下454度。

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今天,“宇宙中最冷的地方”位于科罗拉多州的博尔德。不过,几乎没有人抱怨。博尔德市中心的时尚餐馆和精品店生意兴隆,徒步旅行者也没有记录到对该镇珍贵风景资源的任何负面影响。这不足为奇:这个最冷的地方只是一个四分之一英寸宽的微小空间,装在一个口红大小的玻璃管里。管子周围环绕着一片微型透镜、真空泵和激光束的“森林”,而这一切都整齐地收在科罗拉多大学一栋小型塔状物理建筑中卡尔·维曼(Carl Wieman)不起眼的实验室里。

这个微小的空间包裹着一缕蒸汽,其中仅包含2亿个原子——不到同等大小正常空气中原子数量的十亿分之一。但这个“最冷之处”的铯原子做着其他任何地方的原子都从未做过的事情:它们什么也不做。或者至少非常接近什么也不做。当其他原子跳跃、舞动、碰撞和猛冲时,维曼的原子则懒洋洋地漂浮着。也就是说,他的原子是冷的。确切地说,它们的温度距离绝对零度只有百万分之一度,绝对零度是温度标尺上无法达到的点——接近华氏零下460度——如果所有物质能够,它们将完全静止。

其他物理学家,包括麻省理工学院的丹尼尔·克莱普纳(Daniel Kleppner)和斯坦福大学的史蒂文·朱(Steven Chu),也在竞相使原子静止到人类不可能达到的最冷程度。这种渴望达到物质最静止状态的驱动力不仅仅是单纯的竞争;理论预测在极冷的极限处存在一种奇怪的新物质状态——一种与地球上迄今为止存在的任何物质都不同的状态。也许与宇宙中的任何物质都不同。维曼称之为“原子物质”,因为它没有更好的名称。他说,它的性质是一个谜。

毕竟,物质在加热或冷却时,其特性会以一种奇怪的方式彻底改变。以普通水为例。稍微加热,它就会变成蒸汽,一种气体。再加热,水分子会分解成氧原子和氢原子;原本湿润且大部分静止的物质现在变成了两种相当活跃的气体。再加热,原子会分裂成电子和原子核。事实上,原子已不复存在。这种无序的混合物被称为等离子体,带有电荷;在适当的条件下,它会发光。当然,你可以继续:在粒子加速器中,你可以将原子核分裂成质子和中子;然后,也许你可以将质子分解成夸克。一些物理学家认为,在温度标尺的最顶端,存在一种被称为夸克物质的东西,那是一个由不相连的夸克组成的海洋,它如此怪异,以至于没有人知道它的性质可能是什么。

相反,温度标尺上的下降之旅是秩序不断增加的故事。随着物质变冷,它会凝结、浓缩——变得越来越稳定和沉静。液态水分子结晶成固态冰。比固体更有序的是一种被称为超导性的奇异物质状态,以及它的伙伴超流性。在这些状态下,原子粒子几乎步调一致地行进,呈现出看似神奇的特性:电流无电阻地流动;液体流出瓶子或通过陶瓷容器的底部。从根本上说,这种行为是由于不自然的有序性:粒子群作为一个整体移动,放大通常被热引起的随机运动掩盖的亚微观效应。

一些物理学家认为,这些奇特的行为仅仅是超冷冰山的一角。然而,这个领域在很大程度上尚未被探索,因为传统上用于冷却物质的那些精巧的冰箱根本无法达到预期会发生真正有趣事情的温度。但是,涉及激光、高功率磁场和复杂蒸发技术的新方法,正在让物理学家们在温度方面无限接近终点线。在那里,物质将失去所有运动,只剩下最小的残余嗡嗡声,这是量子力学作用下可见的体现。在这一点上,物理学家们预计原子将凝结成一个单一的实体;不知何故,所有原子都会“schlump”,用维曼的话说,所有原子同时占据同一个位置。克莱普纳说,这就像一个巨大的模糊原子。物质的身份危机。

这种理论上的转变被称为玻色-爱因斯坦凝聚,以两位物理学家萨提延德拉·纳特·玻色和阿尔伯特·爱因斯坦命名,他们的计算导致了对这种奇异状态的预测。他们的计算明确指出,自然界中存在另一种粒子,其性质与他们的同事恩里科·费米(Enrico Fermi)研究的质子、电子和其他普通粒子截然不同——因此这些粒子都被称为费米子。玻色子,这种新粒子种类,与费米子在微妙但重要的方面有所不同。其中之一涉及一种称为自旋的性质。担心粒子自旋是什么并不会让你有任何进展——即使它的发现者沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)也说它无法用经典方法描述。粒子自旋根本不像陀螺的自旋;这是物理学家在没有日常语言来描述不可描述事物时使用的友好术语之一,比如“魅夸克”。但就像“魅”一样,粒子自旋可以精确测量,并且玻色子和费米子具有不同的值。玻色子以整数单位拥有自旋:例如,零、一、二等等。费米子具有半整数自旋:1/2、3/2等等。由于数学上的原因,这意味着玻色子可以无限数量地聚集在一起,而费米子总是保持彼此的轨道。费米子这种“不合群”的性质赋予了原子结构,而玻色子这种“合群”的性质则允许大量的光粒子,例如,聚集在同一个地方。维曼说,这就像隐士和喜欢人群的人。

一组粒子,比如一个原子,也有自旋,这个自旋就是组成粒子的自旋之和。原子由像电子和质子(它们具有半整数自旋)这样的粒子组成,因此可以是费米子或玻色子,这取决于总自旋之和是整数还是半整数。(例如,氢原子是玻色子:其单一质子原子核和单一轨道电子的自旋之和为一。)在常温下,玻色原子和费米原子之间的差异是不可见的。热能甚至阻止了玻色子坍缩在一起。但如果去除热量,粒子自旋影响物质性质的奇特方式就会突然显现出来。这就是为什么我认为它如此巧妙,维曼说。

一个关键要求是原子必须重叠。如果它们不重叠,它们就无法与其他原子凝聚,因为它们不知道其他原子的存在。温度如何产生重叠原子,这又是由量子力学中另一个反直觉的概念来解释的。亚原子粒子是出了名的难以捉摸。事实上,你测量它们某个量(比如速度)越精确,你对另一个量(位置)的了解就越少。一个在非常低温度下的粒子当然有一个非常精确的速度——接近零。这意味着它的位置高度不确定。物理学家将粒子出现在这里或那里的概率描述为其波函数,而一个非常冷的粒子的波函数会变得如此模糊和扩散,以至于在适当的条件下,它极有可能与同伴相撞。

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如果能把玻色子想象成野牛,维曼建议道,那么这一切就更容易理解了。假设有一百头野牛在科罗拉多州快乐地漫游,彼此不知对方的存在。它们可能是群居动物,也可能不是;没有人会知道。但假设发生了一些事情,使它们的领地开始重叠——例如,食物短缺。现在这些动物会开始四处寻找食物,可能会闻到彼此的气味。

随着领地的重叠,将会发生一个明显的变化。野牛会知道周围还有其他的野牛;它们会想要聚集在同一个地方,并一起移动。这个群体就是一种野牛玻色凝聚态,维曼说。另一种物种——比如山狮——可能也在同一个领地漫游。这些可能就是费米子;在这种情况下,无论发生什么,它们都会留在各自的领地里。

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在这种富有启发性的比喻中,低温类似于食物稀缺:它模糊了在某个地方找到原子或野牛的概率。它的波函数现在与它的同类重叠。如果原子是玻色子,并且没有热能阻止它们从邻居身边摆动开来,它们就会融合成一个整体。而且,正如维曼迅速指出的那样,这些粒子甚至不必是原子。原则上,你可以用火车头来做这个实验:如果你在常温下把两个火车头放在同一轨道上的同一个地方,你会得到一场巨大的碰撞。但如果你能把完全相同的火车头冷却到足够低的温度,并且所有组成它们的粒子的总自旋加起来是一个整数,你就可以把一大堆火车头放在一起。

由于蒸汽的玻色凝聚从未在实验室中发生过——事实上,它可能从未在宇宙中的任何地方发生过——物理学家们不知道这种奇怪的新物质会如何表现。它甚至可能在一瞬间自发改变其性质。无论它做什么,玻色凝聚态都应该与普通物质非常不同。如果没什么别的,它提供了一个难得的机会,可以面对大自然的“墙壁”之一。维曼说:“在低温下原子相互作用中存在一些很好的、令人兴奋的物理现象。但真正巨大的回报将是我们能否实现玻色凝聚。这种实验才能赢得诺贝尔奖。”

探测物理学边缘的机会让维曼和克莱普纳的团队,以及朱的团队,都努力地向绝对零度越来越靠近。朱是一位激光冷却的先驱,他主要致力于实现尽可能低的温度,以探索潜在的应用——从超精确的原子钟到超精确的重力测量方法。维曼和克莱普纳对使原子云足够冷和足够密以发生玻色凝聚转变更感兴趣。然而,尽管维曼和克莱普纳的目标相同,但这些物理学家的方法却大相径庭:维曼和他在博尔德的学生通过用激光轰击铯原子来减慢它们的速度,而克莱普纳和他在麻省理工学院的团队则在一个15英尺高的保温瓶中通过类似于出汗的蒸发过程冷却氢原子。这两个团队都可能在年底前实现玻色凝聚。

无论哪种方式,都将是一场斗争。你越接近绝对零度,就越难变得更冷,因为垂死的原子变得越来越容易通过吸收周围环境中的能量来提高温度。绝对零度本身是不可逾越的:这是一个可以无限接近但永远无法达到的极限。量子力学行为中固有的不确定性意味着始终存在一个最小能量。但这对于维曼和克莱普纳来说没关系;他们只是想足够接近以触发玻色凝聚。维曼说:“这是物质可能达到的最低能量状态。实际上,它就是绝对零度;超越它就没有物理学了。”

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维曼已经比任何人都更接近绝对零度。他冷却铯原子部分原因是因为它们非常适合吸收激光。每种原子只吸收特定能量的光,就像一个挑剔的食客只吞咽某些大小的食物。激光反过来产生这些微小能量包或光子的有序流。能量包的大小可以精确调整。维曼调整他的激光,使光子具有恰到好处的能量以与铯原子反应。(能量或多或少的光子不会被注意到;原子根本看不到它们。)光子轰击原子并逐渐减慢它们的速度,就像一串乒乓球弹离保龄球一样。

原子越慢,温度越低。在室温下,原子以每秒1000多英尺的速度飞驰;但当维曼的激光处理完它们时,它们以每秒大约半英寸的速度漂移。此外,为了捕获这些冷却的、懒惰的原子——也就是说,为了让它们紧密地聚集在一起并防止它们漂到墙壁上并升温——维曼的激光束像对准足球的相对消防水管一样,将原子围困住。激光捕获得到磁场的辅助,磁场在原子云的边缘变得更强,将游离的原子推回中心。

整个冷却过程可以在维曼实验室的电视上通过两台对准玻璃管的摄像机实时观看。通常,原子物理学并不是很有媒体吸引力;在大多数原子实验中,原子数量太少,分布太广,无法反射足够的光子来形成清晰的图像。事实上,维曼管中封装的蒸汽也是不可见的,直到他打开激光束。一两秒钟内,原子被冷却到绝对零度几百万分之一度以内,并紧密地聚集在一起,足以将激光反射到摄像机。在电视屏幕上,一片模糊的绿色薄雾出现并形成一个清晰的球形云,这是有史以来最冷的原子形成的诡异图像。

维曼身材瘦小,和蔼可亲,尽管41岁,但他看起来非常年轻,不像一个试图创造新物质形态的人。此外,他以极低的预算创造了低温记录,同时鄙视当代实验物理学中普遍存在的巨额预算。他的装置由几千美元的设备组成,这些设备放在一张实验桌上,而克莱普纳和其他人则花费了数十万美元,并占据了整个房间。“我一直有点抠门,”维曼耸耸肩说。

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为了放松,维曼会和妻子徒步前往博尔德郊区山丘家中周围的公园。这给了他一个急需的机会放松身心,谈论……激光冷却。他的妻子莎拉·吉尔伯特(Sarah Gilbert)是附近国家标准与技术研究所的物理学家,她也捕获和冷却原子。“我们互相修改论文,”他说,“我强烈推荐这种情况给任何敬业的物理学家。”

显然,维曼全神贯注。克莱普纳(维曼以前的导师)回忆说,维曼在麻省理工学院读本科时就对激光和原子物理如此着迷,以至于他设法让自己免修一半课程去做实验室研究,甚至睡在实验室里。在那里他制造了激光器。激光器通过一种级联效应产生强烈的相同光子束,可以将其比作漂浮在水池中的一堆保龄球木筏。木筏会平静地漂浮,直到一个球掉入水池;然后由此事件产生的波浪会摇晃木筏,导致更多的球掉落,这将产生更强的波浪,从而导致更多的球掉落,因此很快球就会以级联的形式从木筏上掉落。类似地,激光中的原子在少量光子流过之前并不会做太多事情,这些光子会震动原子并导致它们发射光子,从而导致更多的原子发射光子,依此类推。诀窍是让光子同步发射,从而产生高度集中的光束。维曼专注于一种新型激光器,它使用荧光染料来发射大量光子。克莱普纳记得维曼接触染料后,双手经常变成荧光橙色。

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从麻省理工学院毕业后,维曼在斯坦福大学获得博士学位,然后在密歇根大学工作了七年,于1984年来到科罗拉多大学。在密歇根大学,维曼就已经在激光和原子方面做出了让他被公认为该国顶尖年轻科学家之一的工作。他的研究内容是证实宇称不守恒理论,该理论与粒子的性质及其镜像有关。在他搬到博尔德时,他正在研究在他的实验室中增加更多激光器的可能性,以提高实验的准确性。但是物理学家使用的染料激光器每台造价约8万美元,而且极其敏感。维曼解释说:“如果在我的一个实验中有人打喷嚏,一切都必须重新校准。”

作为一种不太可能成功的替代方案,维曼决定研究CD播放器中使用的小型200美元二极管激光器,它们在半导体材料(如砷化镓)中而不是气体中产生光子级联(二极管是刻蚀在半导体中的电子元件,用于帮助引导电流流动)。这些固态器件比其他激光器中使用的精密光学设备阵列受打喷嚏的影响小得多。物理学家们并没有接受这些小型量产激光器,因为它们的光束很弱——也就是说,它们每秒发射的光子相对较少。它们也很难调谐。但维曼意识到光束强度对他设想的应用并不重要;至于调谐问题,他想出了一些简单的技巧,使激光波长更容易控制。

没过多久,他就能将廉价的二极管激光器调谐得几乎和标准激光器一样精确。另外,二极管激光器可以更快地失谐——也就是说,光的波长可以更快地移动——比标准激光器快得多。这个特性在处理根据它们跃入的激发态而吸收不同波长光的原子时非常方便。

此时,维曼已经了解到世界各地几个实验室正在进行的激光冷却实验。他回忆道:“我和我的一个学生都想到,我们也许可以用二极管激光器做得一样好——而且便宜得多。”1986年,维曼决定投身激光冷却。那时,由AT&T贝尔实验室物理学家史蒂文·朱(现任职于斯坦福大学)领导的小组已经利用染料激光器获得了低至240微开尔文(即开尔文温标的百万分之一度,开尔文温标以绝对零度为零点,一度等于摄氏一度)的温度。一年之内,维曼的小组用二极管激光器达到了同样的温度。

事实上,正是在与朱的友好竞争中,维曼才真正迷上了激光冷却。朱的团队注意到原子从他们的陷阱中流失了。旨在揭示原因的研究表明,无论发生什么,激光束的强度与此无关。这个结果在维曼听来不对劲。他自己的团队在调查了这个问题之后,得出了相互矛盾的结果。最终,维曼被证明是正确的。

这多少有点讽刺意味。备受尊敬的朱直到最近才承认维曼是一个强劲的竞争对手;毕竟,激光冷却和捕获是朱的长期专长,而维曼,带着他廉价的设备,却异军突起。朱坚称:“卡尔的主要贡献在于宇称不守恒。”尽管如此,两人仍然是好朋友;在最近于意大利举行的一次原子物理会议上,他们借机一起去了山区徒步旅行并交流经验。然而,维曼评论道:“我们无疑在竞争看谁能先登顶;我们以好胜著称。”

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在1988年至1991年间,维曼的团队、朱的团队、国家标准与技术研究所由威廉·菲利普斯(William Phillips)领导的团队以及巴黎高等师范学院由克劳德·科恩-坦努吉(Claude Cohen-Tannoudji)领导的团队轮流推动激光冷却领域的最新技术,每个团队都将原子云冷却得更低一点。当一个团队找到一种更好的技术,在恰到好处的时间将激光调谐到正确的能量,或者找到一种设置磁场的方法,使其能更好地将原子推向云的中心时,最低温度记录(已经降至接近100微开尔文)就会再下降十几微开尔文——而这个记录仅在几个月后就会被其他团队中的一个打破。1990年,法国团队似乎以2微开尔文的温度决定性地击败了其他所有团队,这一壮举震惊了物理学家。但三周后,维曼的团队宣布他们已达到略高于1微开尔文的温度。这个记录至今保持着。

除了降低温度记录,维曼还大幅降低了进行激光冷却实验所需的预算。例如,他的激光器的成本只有人们认为完成这项工作所需激光器成本的四百分之一。

这意味着激光捕获和冷却突然变得对世界各地的助理教授来说触手可及。维曼甚至一直在设计一套面向本科生的激光冷却装置。朱很快就认可了维曼的这一成就:“他把激光冷却从一个令人惊叹的实验变成了一个大众实验。”

维曼曾意识到玻色凝聚,但他从未将其视为一个有趣的目标。然后,在1990年,他在圣达菲做了一次关于激光冷却的演讲后,伯克利物理学家雷蒙德·乔(Raymond Chiao)找到了维曼。维曼回忆说:“他对我可能实现玻色凝聚的想法非常兴奋。他确信很多重要的物理学可能会从中产生。这我以前从未想过。”乔的热情极具感染力。几个月内,维曼和他的团队决定追求玻色凝聚。事实证明,这是一项比维曼最初想象的要困难得多的成就;尽管他离绝对零度已经很近,但还不够近,到目前为止,他捕获的铯原子云抵抗了所有试图从中去除最后一点热量的努力。他说:“我以为这会花我一年的时间。我太天真了。”

他本该更清楚的;他的导师克莱普纳已经尝试了14年才达到玻色凝聚,使用的是相当艰巨的冷却装置——本质上是一个巨大的保温瓶。克莱普纳是一个温文尔雅的人,白发稀疏,梳子也梳不下来,他在1980年建造了他的第一个冷却室,将一团氢原子注入其中,并用超冷液氦冷却它们。他将氢气冷却到开尔文三十分之一度,但原子云的密度仍然只有玻色凝聚所需密度的千分之一。毕竟,玻色凝聚发生在原子重叠时,因此除了冷而模糊之外,原子还必须紧密地靠在一起。

为了挤压原子,1982年,由克莱普纳和麻省理工学院的托马斯·格雷塔克(Thomas Greytak)领导的团队在腔室内部建造了一个活塞,用于压缩氢气云,并小心翼翼地缓慢进行,以避免将云加热超过十分之一度。这使得云的密度增加了50倍,但他们仍然差了20倍。当他们试图进一步增加密度时,原子开始团聚成分子,有效地离开了云。如果降到更低的温度,他们本可以更接近玻色凝聚而无需增加密度。但在超低温下,原子会粘附在捕获器的壁上。几年里,团队一直未能成功克服这一障碍。克莱普纳回忆道:“我们真的感觉被困住了。”

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幸运的是,一位名叫哈拉尔德·赫斯(Harald Hess)的博士后有了一个主意。他建议,如果氢原子粘附在壁上,那为什么不消除壁,而是使用磁阱将原子云限制在腔室内部呢?磁阱本身并不是一个激进的概念,但它从未应用于密封腔室内的相对较大的原子云。尽管如此,克莱普纳和他的团队还是尝试了一下,他们在设备周围安装了一组超导磁铁。

另外,赫斯意识到磁阱将允许他们使用一种强大的新方法来冷却原子云,这种方法被称为蒸发冷却。在一滴液体中,速度最快的原子往往会直接跳到空气中,留下速度较慢、温度较低的分子;然后,这些分子中最快的又会飞走,依此类推,直到这滴液体的温度相对降低。这就是出汗的工作原理,也是一杯咖啡冷却下来的方式。当没有分子拥有足够的能量离开液体时,冷却自然停止。但赫斯指出,通过随着原子冷却而改变磁阱的强度,可以强制冷却在较低温度下继续进行。场景大致如下:氢气被注入磁阱。最快的原子立即跳出,只留下速度较慢、温度较低的原子。然后,克莱普纳的团队缓慢降低磁阱的强度;现在,剩余的最快原子可以摆脱,留下一个甚至更冷的原子云。随着磁阱强度持续下降,速度越来越慢的最快原子会跳出磁阱,温度也持续下降。现在,克莱普纳和他的团队——其中包括研究生乔恩·桑德伯格(Jon Sandberg)——已经达到了100微开尔文的温度。

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这比维曼最冷的温度还要高100倍,但克莱普纳不必像维曼那样降到那么低的温度。事实证明,氢等极轻的原子比重原子更容易受到量子力学固有的不确定性的影响。氢原子的质量只有铯的百分之一,因此在较小的刺激下就会扩散开来。因此,氢原子会在比铯原子更高的温度下开始与相邻原子重叠。克莱普纳认为他的团队将在30微开尔文下达到玻色-爱因斯坦凝聚。

然而,首先,研究人员需要更好的方法来观察原子实际在做什么。目前,他们研究陷阱中原子的唯一方法是将其倾倒出来,并测量它们聚集成H2分子时释放的热量。一旦他们能真正看到原子云,他们就能微调诸如原子云大小和蒸发冷却过程中陷阱强度降低速率等细节。为了看到原子云,他们正在使用维曼最喜欢的工具:激光。冷却的氢原子吸收射入陷阱的激光光子;然后原子以紫外线辐射的形式发射光子。紫外线探测器每次接收到光子都会捕获并记录信号。通过在腔室内部移动光束,研究人员可以知道原子在哪里,从而确定原子云的形状。当玻色凝聚发生时,随着原子凝聚到中心,形状应该会突然改变。

激光还将为克莱普纳的团队提供氢原子速度的直接测量:他们将看到多普勒频移。也就是说,远离的原子吸收的光的波长会被拉伸,而靠近的原子吸收的光的波长会被压缩——就像火车汽笛的声音随着它们远去而拉伸(频率降低),随着它们靠近而压缩(频率升高)一样。通过改变激光束的频率,然后监测紫外线探测器,团队将能够准确地知道原子吸收了哪些频率的光。当原子凝结成玻色态时,将没有可检测到的频移。“你会发现很大一部分原子只是静止不动,”克莱普纳说,“这与你通常看到的非常不同。”

维曼计划自己借鉴一些经验:他希望通过采用蒸发冷却来继续研究。目前维曼的蒸气密度不够。在正常条件下,蒸气云会随着温度降低而变得更密,但激光冷却往往会使蒸气云变稀。这是因为用于冷却原子的激光光子也可能将它们推得更远。它们在悠闲的旅程中很少相遇。但碰撞对于蒸发冷却至关重要,蒸发冷却通过让高于平均温度的原子逸出来发挥作用。如果没有碰撞,蒸气云会很快耗尽高于平均温度的原子;蒸气云会稍微冷却,但这个过程会停止。另一方面,如果原子在最热的原子逸出后发生碰撞,那么它们的温度会通过碰撞重新混合,并形成一批新的高于平均温度的原子。

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目前,维曼的云密度太低,无法产生足够的碰撞。为了提高密度,维曼和他的团队建造了一个新的冷却装置,包括两个独立但相互连接的腔室,一个配备激光束,另一个配备磁阱。他们的想法是让原子在激光腔室中冷却并变得稠密,然后将它们转移到磁腔室中暂时储存;与此同时,在新一批原子在激光腔室中冷却后,再添加到磁腔室中的第一批原子中。维曼解释说:“我们认为我们可以不断地将越来越多的原子装入磁阱,直到它们足够稠密以进行蒸发冷却。”到目前为止,这种方法未能发挥其潜力,原因有二:真空泵故障,以及原子在腔室之间转移时扩散得太厉害。第一个问题很容易解决。但第二个问题需要设计磁铁,其尺寸、形状和放置方式将产生一个磁场,以放大镜聚焦太阳光线的方式聚焦扩散的原子流。建造这样的磁透镜可能需要数月甚至数年。

最近,一个新设计的磁阱使得该团队能够实现每立方厘米超过100万亿个原子的密度,是之前密度的三倍——令人印象深刻,但没有蒸发冷却。他说:“有几天我们以为我们有了十倍于此的东西,但我们错了。我们非常失望。”

不过,该团队对磁阱寄予厚望:一项新理论表明,如果他们能精确地达到正确的磁场强度,原子将经历一种共振,类似于完美音调能震碎水晶的方式。根据理论计算,这种共振将使碰撞数量突然增加100倍或更多。维曼说:“如果这个理论是正确的,我们应该能更快地进行蒸发冷却。”他补充说,这可能意味着几个月的时间。但如果这个技巧不成功,可能还需要几年时间。

好消息是,一旦蒸发冷却开始,原子就会自行变得越来越密,就像克莱普纳的捕获器中已经发生的那样。这种情况类似于一群碰碰车在碗状地板上跑动:如果碰碰车开始失去速度(能量),它们自然会越来越靠近碗底。维曼和克莱普纳的捕获器本质上是碗的磁性版本,用磁力将原子推向中心,而不是用引力拉动它们。一旦原子开始失去热能,它们也就会失去克服捕获器磁力的能力。

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如果维曼或克莱普纳的原子云确实变得足够冷和密集,以至于发生玻色-爱因斯坦凝聚,它将首先发生在陷阱的中心,那里原子最紧密地聚集在一起。更重要的是,玻色-爱因斯坦凝聚体的密度将高于普通蒸汽的密度,有更多的原子散射光,因此研究人员将毫不费力地判断何时达到了他们的目标。维曼解释说:“当我们达到玻色-爱因斯坦凝聚时,我们将突然看到一个令人难以置信的明亮、闪光的球体,就在原子云的中心。”

如果维曼没有看到那个闪亮的球,他的团队就会尝试另一种方法。维曼说:“这就是我们比克莱普纳团队的优势。如果他们想改变什么,他们需要六个月的时间来拆解实验,进行修改,然后重新组装。而我们的,明天就能改好。”

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同时,维曼和克莱普纳都不能完全确信玻色凝聚会在任何条件下发生。维曼说:“这个理论看起来相当扎实,但在看到它之前你无法确定。”他指出,物理学家们在如何计算处于玻色凝聚边缘的原子性质方面存在分歧。事实上,他们只是在测量原子云的明亮反射性,因为维曼解释说,“这太平凡了,我们确信它会发生。”有人提出,原子云会比单纯增加密度所能解释的亮度还要亮。这个预测来自方程,甚至维曼也不知道是否应该认真对待。“它来自我看到过的少数几篇论文之一,这些论文明显没有错误;它来自数学。我们不明白为什么。物理学家们才刚刚开始思考这些东西。”

一些理论家认为,即使玻色凝聚存在,原子也要永远才能完成转变。实际上,这使得它和绝对零度本身一样无法触及。以防万一,两名团队成员为自己准备了一份安慰奖,以防玻色凝聚难以实现:一个他们的磁阱的玩具版本,里面有一块磁化岩石诡异地悬浮在半空中。前维曼博士后埃里克·康奈尔(Eric Cornell)说:“我们已经申请了专利。如果玻色凝聚不能让我们出名,这会让我们致富。”

维曼还没准备好接受安慰奖。他说:“我可能错了,但我自己直觉认为我们会凝聚。”克莱普纳也表示乐观。他说:“我们很想看到玻色凝聚发生在这里。但无论如何,能与竞争对手保持如此良好的关系真是太好了。”

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