冷原子的量子煙花秀

石無魚

節(jié)日里的煙花表演想必對于大家不會(huì)陌生吧？現(xiàn)在讓我們來觀賞另一種煙花——由量子流體的波動(dòng)制造出來的美麗、微小的量子煙花。

這種量子煙花發(fā)生在玻色-愛因斯坦凝聚體中。玻色-愛因斯坦凝聚是物質(zhì)除了固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子態(tài)之外的第五種物態(tài)。它是怎么來的呢？它有哪些性質(zhì)？這得先好好解釋一下。

我們知道，微觀粒子都是有自旋的，自旋是一種量子特性。而且奇怪得很，粒子的自旋值只能取普朗克常數(shù)的整數(shù)倍或半整數(shù)倍，如0、1/2、1、3/2……。自旋為整數(shù)的叫玻色子;自旋為半整數(shù)的叫費(fèi)米子。有趣的是，玻色子和費(fèi)米子在集體行為上表現(xiàn)得大相徑庭。簡單地說，玻色子喜歡“扎堆”，費(fèi)米子喜歡“獨(dú)處”。當(dāng)許多玻色子聚在一起，步調(diào)一致地行動(dòng)時(shí)，我們就稱發(fā)生了“玻色-愛因斯坦凝聚”。

不過要得到玻色-愛因斯坦凝聚并不容易，需要把玻色子冷卻到接近絕對零度。這通常要通過激光來完成。

我們回頭談量子煙花。銫原子是玻色子，最近美國芝加哥大學(xué)的物理學(xué)家把一些銫原子置入由幾束激光圍成的圓形陷阱（這就是著名的“光鑷子”）中，將它們固定在一個(gè)地方，不許四處亂跑。陷阱直徑26微米，只有細(xì)菌般大小。冷卻之后，這些銫原子就形成了玻色-愛因斯坦凝聚體。

然后，科學(xué)家不斷向凝聚體發(fā)射變化的磁場，激發(fā)銫原子進(jìn)入更高的能量狀態(tài)。這過程中，小小陷阱里產(chǎn)生了起伏的漣漪。

因?yàn)椴Ｉ酉矚g處于相同的狀態(tài)，步調(diào)一致地行動(dòng)，所以一旦一些銫原子被激發(fā)，更多的同伴就會(huì)加入其中?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，這種盲目的追隨行為產(chǎn)生了一種放大效應(yīng)，陷阱里的漣漪獲得更多的能量，幅度越來越大。最后就像海浪拍打堤壩一樣沖出陷阱，形成美麗的量子煙花。

這種現(xiàn)象太有趣了，是科學(xué)家完全沒有想到的?？茖W(xué)家猜測，這個(gè)效應(yīng)可能與量子力學(xué)中的零點(diǎn)能被放大有很大關(guān)系。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)再一次讓科學(xué)家感到，量子體系中有趣的事情實(shí)在是太多了，量子世界就像是一個(gè)挖掘不盡的寶藏。玻色-愛因斯坦凝聚體本來是一個(gè)被充分研究的領(lǐng)域，沒想到在這次實(shí)驗(yàn)中觀察到從未有過的現(xiàn)象，這為今后的研究開辟了一個(gè)新的思路。