超流體與玻色-愛因斯坦凝聚

玻色-愛因斯坦凝聚現象

/ BOZE EYE-styne kon-den-SAY-shun /

想想「一樣東西」和「變成那樣東西的過程」之間的區別——一片雪花,和水結成它的那一刻。玻色-愛因斯坦凝聚現象說的就是那個過程,那個驟然發生的事件:一團冷的玻色子氣體忽然傾覆,把自己倒進同一個共享的量子態,從而生成凝聚體。

它之所以發生,關乎量子粒子在變冷時如何「攤開」。每個原子都有一個模糊的量子尺寸,溫度越低,這尺寸越大。當氣體冷到、密到這些模糊的尺寸開始彼此交疊、相互觸碰時,玻色子之間就再也分不出你我,於是驟然變得極其有利:宏觀數量的它們會一齊佔據那個能量最低的能級。這個臨界點是一次貨真價實的相變,與結冰或沸騰一樣真切。

這一現象之所以重要,是因為它是超流、某些雷射,以及檢驗量子理論的超冷原子實驗背後的根本機制。人們常常錯過的微妙之處在於:這些原子並不是被什麼力推到一起的——凝聚純粹由量子統計驅動,源自「全同玻色子樂於共享一個態」這個事實,而非粒子間的吸引。

隨著被囚困的玻色子氣體被冷卻,越過臨界溫度之前幾乎什麼都不發生——可一旦越過,在毫釐之差的溫度內,極大一份的原子便如瀑布般傾入基態,就像過冷的雲團在某個臨界點上忽然化作一場雨。

凝聚是一樁臨界事件:什麼都沒有、什麼都沒有,然後驟然出現一個共享的態。

儘管「凝聚」是個日常詞,這裡並不會形成液滴——原子是在量子態那個抽象空間裡凝聚,而非在普通空間裡,所以氣體可以一邊仍是稀薄氣體,一邊卻已成為凝聚體。

又稱
BEC transition玻色-爱因斯坦凝聚现象