70年前的預(yù)言

1、70年前的預(yù)言大多數(shù)人初次聽到玻色愛因斯坦凝聚這個術(shù)語時 ,都感到既陌生又神秘。那它到底是什么意思呢？早在1924年 ,印度物理學(xué)家薩蒂延德拉·玻色(Stayendra Bose ,18941974)提出了一個分析光子行為的統(tǒng)計力學(xué)方法 ,也就是現(xiàn)在我們所說的“玻色統(tǒng)計。玻色提出了一種新的統(tǒng)計理論 ,它與傳統(tǒng)的統(tǒng)計理論僅在一條根本假定上不同。傳統(tǒng)統(tǒng)計理論假定一個系統(tǒng)中所有的粒子之間都是可以區(qū)分的 ,可以給它們分別標上記號 ,并且相互之間不會混淆的?；谶@一假定的經(jīng)典的統(tǒng)計力學(xué)理論圓滿地解釋了理想氣體定律 ,取得了非凡的成功。然而玻色卻認為 ,我們實際上根本不可能區(qū)分兩個光子之間有什么

2、不同。玻色討論了如下一個問題：將N個相同的小球放進M個標號為1 ,2 ,的箱子中 ,假定箱子的容積足夠大 ,可能有多少種不同的放法？在此問題的根底上 ,他采用與傳統(tǒng)統(tǒng)計相似的方法得到了一套新的統(tǒng)計理論。玻色的理論無須借助經(jīng)典電動力學(xué)的理論。就可以正確描述光子的行為 ,但他在發(fā)表自己的理論時卻遇到一些麻煩 ,因為人們不相信他的結(jié)果 ,不肯在科學(xué)雜志上利登他的論文。于是玻色就將論文寄給愛因斯坦這位當時最有名的物理學(xué)家。愛因斯坦立刻意識到這篇論文的重要性 ,并通過自己的影響力將它發(fā)表在德國的學(xué)術(shù)刊物上。也許有人會問 ,玻色的理論為什么還同時用愛因斯坦的名字來命名呢？事實上 ,愛因斯坦不但幫助玻色發(fā)表

3、了論文 ,而且還進一步對他的理論進行深化和推廣。愛因斯坦認為 ,玻色的理論不但對光子適用 ,而且還可以用來研究所有原子的行為。他最終建立了遵守玻色愛因斯坦統(tǒng)計的粒子的完整量子模型。愛因斯坦發(fā)現(xiàn) ,他建立的方程式說明 ,原子在非常低的溫度下的表現(xiàn)與通常狀態(tài)相比大為不同。如果原子足夠冷 ,那么就可能會有一些不同尋常的事情發(fā)生。它是那樣的奇異 ,以致愛因斯坦無法確定自己的理論是否正確。也許有人認為 ,愛因斯坦是永遠不會錯的 ,但事實上他只對了一半。因為并不是所有原子都遵守玻色愛因斯坦統(tǒng)計。現(xiàn)在我們已經(jīng)知道 ,粒子實際上可以分成兩大類。一類稱為玻色子 ,遵守玻色愛因斯坦統(tǒng)計；另一樣稱為費米子 ,遵守費

4、米狄拉克統(tǒng)計。愛因斯坦的理論說明 ,在足夠低的溫度下 ,所有原子有可能處在相同的最低能級上 ,所有原子的行為就像一個粒子一樣。為了理解能級的概念 ,我們可以將原子想像成一個個的小球 ,它們被放進一個碗中滾動 ,并且讓其能量必須取一系列確定的數(shù)值 ,就像臺階一樣從小到大 ,而不是以隨便一個速度運動。這就是所謂的能級。量子力學(xué)認為 ,任何物體的能量都不是連續(xù)取值的 ,而只能是這種不連續(xù)的方式 ,當然 ,對一個宏觀的小球而言 ,相鄰的兩個能級之間的差是很小的 ,以至我們根本不會發(fā)覺到。愛因斯坦的方程預(yù)言 ,在正常溫度下 ,原子可以處于任何一個能級上 ,但在非常低的溫度下 ,大局部原子會突然跌落到最低的能級上 ,就好似一座突然坍塌的大樓一樣。這些堆積在最低能級上的原子呈現(xiàn)的就是所謂的玻色愛因斯坦凝聚態(tài)。值得注意的是 ,這里的“凝聚與日常生活中的凝聚不同 ,它表示原來不同狀態(tài)的原子突然“凝聚到同一狀態(tài)。玻