物質(zhì)除了固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子態(tài)之外，還存在第五種狀態(tài)，叫玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)，是愛(ài)因斯坦和印度物理學(xué)家玻色在1920年代早期提出來(lái)的。
玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)是一種宏觀的量子態(tài)。我這么說(shuō)，你可能還意識(shí)不到它的奇特性。那下面就解釋一下。
集宏觀與量子于一身
我們知道，所有宏觀物體歸根結(jié)底是由微觀粒子組成的，而微觀粒子的行為本質(zhì)上是量子行為。量子的行為迥異于我們的日常經(jīng)驗(yàn)，比如它們既是粒子，又是波;可以既在這里，又在那里;等等。更奇怪的是，一旦大量的粒子聚在一起，形成宏觀物體，量子的怪脾氣就統(tǒng)統(tǒng)消失不見了。所以，一般來(lái)說(shuō)，“宏觀”和“量子”是不可兼俱的。
而玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體卻能將兩者萃于一身。首先，處于該態(tài)的是一大群粒子的集合體，整體(大小不超過(guò)一粒細(xì)菌)可視作一個(gè)宏觀物體;其次，這個(gè)宏觀物體卻依然表現(xiàn)出波粒二相等量子特性。物理學(xué)家要描述它，也只能借助量子力學(xué)，而不是牛頓力學(xué)。
實(shí)驗(yàn)室里，要制造出玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)，條件是相當(dāng)苛刻的。譬如，先在真空室中用激光給銣和鉀原子減速，然后用磁場(chǎng)把它們囚禁起來(lái)，形成一個(gè)由很多原子組成的原子團(tuán)，再把原子團(tuán)冷卻到幾近絕對(duì)零度，才會(huì)產(chǎn)生玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)。但即使千辛萬(wàn)苦造出來(lái)，它們也會(huì)因?yàn)槭艿厍?span id="kwx0ctb" class="wpcom_tag_link">重力的影響，存在不到1秒，就快速崩塌，根本不給我們?nèi)魏芜M(jìn)一步觀察的機(jī)會(huì)。
太空中表現(xiàn)不凡
這就導(dǎo)致科學(xué)家產(chǎn)生這樣一個(gè)設(shè)想：如果有一天在太空中制造出玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)該多好，因?yàn)槟抢飵缀醪皇苤亓Φ挠绊?，它們或許會(huì)存在時(shí)間久一些。
這個(gè)夢(mèng)想2020年6月終于在國(guó)際空間站實(shí)現(xiàn)了。美國(guó)宇航局的科學(xué)家將實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)送到國(guó)際空間站，然后遠(yuǎn)程操作，制造出了太空中的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體。
初步結(jié)果表明，凝聚體在太空中的行為與地面有所不同。首先，它們存在了幾秒鐘，其壽命確實(shí)比地面長(zhǎng)了不少;其次，研究小組發(fā)現(xiàn)，大約一半的原子抱成團(tuán)，但依然還有另一半的原子，不肯投入“集體的懷抱”，而是漂浮在外，形成一個(gè)類似光暈的原子云。在地面的實(shí)驗(yàn)中，漂浮的原子云因受地球重力的作用，會(huì)很快支撐不住，但在太空中，卻能長(zhǎng)久存在。
誘人的應(yīng)用前景
玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體在太空中有著誘人的應(yīng)用前景。不久的將來(lái)，研究人員希望利用兩個(gè)這樣的凝聚體進(jìn)行量子水平上的碰撞。他們還想通過(guò)監(jiān)測(cè)凝聚體受到的擾動(dòng)，來(lái)探測(cè)引力波。因?yàn)橐Σū举|(zhì)上是時(shí)空的擾動(dòng)，而玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體對(duì)空間擾動(dòng)非常敏感，稍有擾動(dòng)，就會(huì)崩塌。
再往后，太空中的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體還可以用來(lái)驗(yàn)證廣義相對(duì)論的等效原理。等效原理說(shuō)，在同一個(gè)引力場(chǎng)中，所有有質(zhì)量的物體，不論其質(zhì)量大小，其加速度都是一樣的。也就是伽利略比薩斜塔實(shí)驗(yàn)所要證明的一個(gè)事實(shí)：兩個(gè)質(zhì)量不等的球，從塔的同一高度同時(shí)釋放，它們將同時(shí)落到地面。
但是，廣義相對(duì)論的等效原理其描述對(duì)象是宏觀物體，對(duì)于量子物體，它還成立嗎?前面說(shuō)過(guò)，量子的行為很多時(shí)候迥異于宏觀物體的行為。比如，對(duì)于宏觀物體，我們可以同時(shí)精確地測(cè)量它的位置和動(dòng)量，但對(duì)于量子物體，這是辦不到的：測(cè)量位置越準(zhǔn)確，測(cè)量動(dòng)量勢(shì)必就越不準(zhǔn)確;反之亦然(這就是著名的不確定性原理)。在這種情況下，怎樣證明廣義相對(duì)論的等效原理在微觀世界也是成立的?而玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體，因?yàn)橐环矫嫠鼈兪潜葐蝹€(gè)微觀粒子要大得多的原子團(tuán)，另一方面又保持著量子行為，所以成了驗(yàn)證等效原理的首選量子物體。
