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万众一心:玻色—爱因斯坦凝聚

玻色—爱因斯坦凝聚:无数原子合并进同一个量子态。

与“孤高疏离”恰恰相反

我们以两大部族能耍出的最壮观的把戏来给这一级阶梯收尾,而这把戏完全属于玻色子。费米子被禁止共享一个态;玻色子则恰好相反。它们非但不拒绝共享,反而乐在其中:一个态里已经待着的玻色子越多,下一个就越是急切地想加入。这股爱扎堆的拉力,被内建进了它们的统计——也就是为玻色子排布计数的那套规则,叫做玻色—爱因斯坦统计。费米子彼此散开,玻色子却朝着早已最拥挤的那个态聚拢,就像派对上那张挤满了人、人人却都还想往上凑的桌子。

把它们冷下来,看它们合而为一

设想有一团全同的玻色子原子气体。在寻常温度下,它们带着五花八门的能量四处乱窜,散布在数不清的态上——一团普通而乏味的气体。现在把它冷下来。随着热量被抽走,原子放慢脚步、瘫向能量更低的态。由于玻色子渴望同伴,那个最低的态就成了一骑绝尘的赢家:每多一个原子落进去,它对其余原子就更有吸引力,于是原子接二连三地涌入那唯一的基态。低于某个临界温度,整团气体中相当宏观的一部分就堆进了同一个量子态。结果就是一团玻色—爱因斯坦凝聚——数以百万计的原子不再各过各的日子,而是共享同一个波函数,作为一个单一的量子实体一同运动。

阿尔伯特·爱因斯坦在印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色的工作基础上,于 1924—25 年预言了这种合并。此后又过了七十年,直到激光冷却被发明出来,人们才达到所需的温度——绝对零度之上仅十亿分之几度,比自然界中任何地方都更冷——第一团原子凝聚体终于在 1995 年于实验室里被制造出来。如今它跻身于对全同粒子那套奇异逻辑最美的证实之列。

大到足以看见量子

凝聚体如此被珍视,原因在于它把量子的诡异之处放大到了你几乎能捧在手里的尺寸。通常,物质的波动本性藏在小到根本看不见的尺度上。而在凝聚体里,一整群原子共享同一个波函数,于是量子行为变成了宏观的——成了一片你能拍下照片来的、单一的物质波“涂抹”。去搅动一团凝聚体,它不会像普通流体那样打旋;它能毫无摩擦地流动,并形成整整齐齐、量子化了的小漩涡,这正是超流的标志。它是少数几个地方之一——在那里,量子描述不再只是关于“小到看不见之物”的故事,而成了你可以直接看见的东西。

你其实已经见过这种效应的一个“表亲”,只是当时没意识到。一束激光就是一大群光子全都挤进同一个态、步调完美一致地齐步前进——这是把玻色子的合群天性用在了光上,而非原子上。让原子凝聚的那个正号,同样让光子涌进同一束光。凝聚体与激光,是玻色子“以共享为乐”的两副面孔。

回望这趟阶梯

退后一步,看看仅仅一个观念把我们带出了多远。我们的起点,是一个简单到几乎显得无足轻重的事实:全同粒子无法被分辨。由它生出了“调换它们必须毫无改变”这一要求,进而把每个粒子逼进两大部族之一。费米子部族的负号,给了我们泡利原理、原子的壳层、元素周期表,以及物质的坚硬。玻色子部族的正号,给了我们由交换驱动的磁性、激光,最后还有这个——一团原子融化成一个单一的量子存在。小之物的“可互换”,书写着大之物的规则。