物质的第六态

当人们问起物质有几种状态时，绝大多数的人会回答：“有三种状态：固态、液态和气态。”这是我们在小学就知道的知识。实际上，这个回答是不正确的。物体至少有6种状态：固态、液态、气态、等离子态、玻色一爱因斯坦冷凝态以及近年来由美国研究人员发现的一种神秘的新状态——费米子冷凝态。

　　

　　玻色子和费米子

　　

　　在介绍费米子冷凝态之前，必须了解两个问题，第一个是关于玻色子和费米子的区别，另一个是什么是玻色一爱因斯坦冷凝态。首先，介绍一下玻色子和费米子。一般人对于这两个概念并不熟悉。当谈到物质的粒子时，人们首先想到的是原子、电子、光子等。其实任何物质的粒子都可以归为两类：玻色子或费米子。玻色子和费米子的区别体现在“自旋”这个量子力学的特性上，自旋量子数为整数的粒子为玻色子，而自旋量子数为半整数的粒子为费米子。这种自旋的差异造成费米子和玻色子有完全不同的特性。

　　玻色子是一些性格“温顺”的粒予，它们可以共处于同一量子状态。玻色子的分布与温度有关，温度高时，玻色子的原子“各自为政”：当温度很低，低于临界温度时，会出现大量玻色子原子在最低能级集聚的情况，普通的钠原子就是玻色子。而费米子却是一些具有很强独立性的“不合群”粒子，它们之间互相排斥，互不相让。如果一个费米子占据了一个能量级位置，其它的费米子就不得不跑到能量较高的量子级上。费米子，包括电子、夸克及半数元素周期表中的原子不会自己集聚在一起，必须借助外力改变它们的特性后才能聚在一起。

　　

　　玻色－爱因斯坦冷凝态

　　

　　如果我们让一些玻色子的原子不断冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷，例如，接近绝对零度(－273.15℃)，这时奇迹出现了——所有的原子不再各自为政，再也分不出你我他了，它们似乎都变成了一个超大原子!这就是物质第五态——玻色－爱因斯坦冷凝态。

　　为什么将它称为玻色－爱因斯坦冷凝态，里面还有个故事。1924年，年轻的印度物理学家玻色提出了一种关于原子的新理论，他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)的不同。由于这个理论与传统的、认为可以辨别同类原子中每个原子“面孔”的理论不同，被剥夺了发表权。玻色于是将他的文章寄给爱因斯坦。爱因斯坦对玻色的文章十分重视，他将玻色的理论用于原子气体中，进而推测，在正常温度下，原子可以处于任何一个能级上，但在非常低的温度下，原子会突然跌落到最低的能级上，处于这种状态的大量原子的行为像一个大超级原子，具有完全相同的物理性质。后来物理界将物质的这种状态称为玻色一爱因斯坦冷凝态。

　　理论有了，但要证明这个理论却十分困难，必须能够创造出这种冷凝物才能令人信服。要生成玻色－爱因斯坦冷凝物可不是一件容易的事。一方面需要创造使原子可以凝聚在一起的极低温度，另一方面还需要这时的原子处于气态。极低温下的物质如何能保持气态呢?这实在令无数科学家头疼不已。后来，物理学家发现一些碱金属，还有氦原子和钙等的原子气体不会因制冷出现液态，更不会高度聚集形成常规的固体。实验对象有了，创造出可以冷却到足够低温度的条件却不具备。随着科学技术的发展，激光冷却技术和电磁操纵的磁阱技术产生了，终于在玻色一爱因斯坦凝聚理论提出71年之后的1995年6月，两名美国科学家康奈尔、维曼以及德国科学家克特勒分别在铷原子蒸气中第一次直接观测到了玻色一爱因斯坦冷凝态。这三位科学家也因此而荣膺2001年度诺贝尔物理学奖。此后，这个领域经历着爆发性的发展，目前世界上已有几十个研究组在稀薄原子气中实现了玻色一爱因斯坦冷凝态。

　　

　　费米子冷凝物

　　

　　费米子冷凝态是怎样创造出来的呢?由于没有任何两个费米子能拥有相同的量子态，费米子的凝聚一直被很多人认为不可能实现。但是，从事费米子冷凝态研究的科学家们秉承着“大胆假设，小心求证”的科学精神，慎重地向这块未知的科学领域推进。终于在2003年12月，美-国物理学家黛博拉·金负责的研究组创造出了世界上第一个费米子冷凝物。

　　由于费米子的“不合群”特性，不能凝聚在一起。科学家们认为如果采用一些方法改变费米子的特性，将它们改变成像玻色子一样，就可能实现凝聚。后来，他们发现了一种对付这些不合群赞米子的方法。他们小心翼翼地，就像爱神“丘比特”那样利用磁场作为金箭，射到费米子身上，促使费密子配对。这样，两个半整数自旋的费米子就组成一个整数自旋的费米子对。科学家们还可以通过调整磁场来控制配对的力量。配对后费米子保留了它们自己的一些特性，但去掉了“不合群”的坏习惯，能够像玻色子一样，在极低温度下，一对费米子和另一对融合，不停地融合，结果所有气体原子突然冷凝到像玻色～爱因斯坦冷凝物一样的凝聚态，最终形成一个费密子冷凝物。不同的研究小组采用促使费米子配对的具体对象和方法不同。奥地利英斯布瑞克大学的科学家将锂－6原子冷却，同时施加稳定磁场，促使费米子结合在一起；美国科罗拉多“实验室天体物理学联合研究所”采用的技术略有不同，他们将钾40原子冷却后施加磁场，通过磁场变化让每个原子强烈吸引附近的原子，诱发它们形成成对原子，然后凝聚成玻色一爱因斯坦凝聚态。

　　在进行费米子冷凝态的研究中，为什么选用钾和锂作为实验对象呢?这种选择不是任意的，而是与采用的冷凝技术有关。将一个气体冷却到极端低温要通过几个步骤。第一步是采用“激光制冷”技术，将气体冷却到接近绝对零度。然后，将这种原子放到一个磁场陷阱中，在这种情况下允许其中最高能量的原子“逃脱”，就像人皮肤汗液蒸发一样。制冷后剩下的原子，使它们处于lOOnK的温度里。最后一步是将原子转移到一个“光学”陷阱中，继续蒸发冷却，最后达到临界温度，在那里气体将被浓缩到一种超液体状态，这时的温度大约是50nK。

　　在进行激光冷却这步操作时，最好使用化学元素周期表第一列的元素，在第1列的7个元素中，只有锂－6和钾－40是稳定的，是一种“长命的”费米子。所以，进行费米子研究的所有研究组使用的是这两个元素中的一个。对于玻色一爱因斯坦冷凝物来说，用的是化学元素周期表第一列中的钠和铷。

　　奥地利和美国的两个研究小组，利用费米子而不是玻色子分别得到了玻色一爱因斯坦凝聚态物质。这项研究是有巨大意义的，正如瑞彻大学物理学家休利特说的：“在此之前，没有一个人看到过分子的玻色一爱因斯坦凝聚态。这是一个巨大进步，是一个真正重要的新研究方向，它可能导致超导体的研究出现不同的新方法。”

　　科学家创造出的这个世界上第六种物质形态，不仅在理论研究中是一个重大的突破，而且在实际应用中也有重要意义，它将有助于下一代超导体的诞生。而下一代超导体技术可在电能输送、超导磁悬浮列车、超导计算机、地球物理勘探、生物磁学、高能物理研究等众多领域和学科中大显身手。

　　

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