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(ài)因斯坦凝聚這個(gè)術(shù)語(yǔ)時(shí) ,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(gè)分析光子行為的統(tǒng)計(jì)力學(xué)方法 ,也就是現(xiàn)在我們所說(shuō)的“玻色統(tǒng)計(jì)。玻色提出了一種新的統(tǒng)計(jì)理論 ,它與傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)理論僅在一條根本假定上不同。傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)理論假定一個(gè)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(biāo)上記號(hào) ,并且相互之間不會(huì)混淆的?；谶@一假定的經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)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(rèn)為 ,我們實(shí)際上根本不可能區(qū)分兩個(gè)光子之間有什么

2、不同。玻色討論了如下一個(gè)問(wèn)題：將N個(gè)相同的小球放進(jìn)M個(gè)標(biāo)號(hào)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(wèn)題的根底上 ,他采用與傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)相似的方法得到了一套新的統(tǒng)計(jì)理論。玻色的理論無(wú)須借助經(jīng)典電動(dòng)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(shí)卻遇到一些麻煩 ,因?yàn)槿藗儾幌嘈潘慕Y(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(ài)因斯坦這位當(dāng)時(shí)最有名的物理學(xué)家。愛(ài)因斯坦立刻意識(shí)到這篇論文的重要性 ,并通過(guò)自己的影響力將它發(fā)表在德國(guó)的學(xué)術(shù)刊物上。也許有人會(huì)問(wèn) ,玻色的理論為什么還同時(shí)用愛(ài)因斯坦的名字來(lái)命名呢？事實(shí)上 ,愛(ài)因斯坦不但幫助玻色發(fā)表

3、了論文 ,而且還進(jìn)一步對(duì)他的理論進(jìn)行深化和推廣。愛(ài)因斯坦認(rèn)為 ,玻色的理論不但對(duì)光子適用 ,而且還可以用來(lái)研究所有原子的行為。他最終建立了遵守玻色愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)的粒子的完整量子模型。愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn) ,他建立的方程式說(shuō)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(huì)有一些不同尋常的事情發(fā)生。它是那樣的奇異 ,以致愛(ài)因斯坦無(wú)法確定自己的理論是否正確。也許有人認(rèn)為 ,愛(ài)因斯坦是永遠(yuǎn)不會(huì)錯(cuò)的 ,但事實(shí)上他只對(duì)了一半。因?yàn)椴⒉皇撬性佣甲袷夭Ｉ珢?ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)。現(xiàn)在我們已經(jīng)知道 ,粒子實(shí)際上可以分成兩大類。一類稱為玻色子 ,遵守玻色愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)；另一樣稱為費(fèi)米子 ,遵守費(fèi)

4、米狄拉克統(tǒng)計(jì)。愛(ài)因斯坦的理論說(shuō)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(jí)上 ,所有原子的行為就像一個(gè)粒子一樣。為了理解能級(jí)的概念 ,我們可以將原子想像成一個(gè)個(gè)的小球 ,它們被放進(jìn)一個(gè)碗中滾動(dòng) ,并且讓其能量必須取一系列確定的數(shù)值 ,就像臺(tái)階一樣從小到大 ,而不是以隨便一個(gè)速度運(yùn)動(dòng)。這就是所謂的能級(jí)。量子力學(xué)認(rèn)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(dāng)然 ,對(duì)一個(gè)宏觀的小球而言 ,相鄰的兩個(gè)能級(jí)之間的差是很小的 ,以至我們根本不會(huì)發(fā)覺(jué)到。愛(ài)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(gè)能級(jí)上 ,但在非常低的溫度下 ,大局部原子會(huì)突然跌落到最低的能級(jí)上 ,就好似一座突然坍塌的大樓一樣。這些堆積在最低能級(jí)上的原子呈現(xiàn)的就是所謂的玻色愛(ài)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(lái)不同狀態(tài)的原子突然“凝聚到同一狀態(tài)。玻