根據目前的認知,物質存在的形态總共有6種。分别是氣态、液态、固态、等離子态、玻色-愛因斯坦凝聚态和費米子凝聚态。
玻色–愛因斯坦凝聚是玻色子原子在冷卻到接近絕對零度所呈現出的一種氣态的、超流性的物質狀态(物态)。當一群原子被冷卻至如此低溫時,便不再會以單個原子的形式運動,而是會聚合成一個巨大的“超級原子”。成千上萬個原子突然變得不可區分,按照統一的波長一同緩慢振動。
費米子凝聚态和玻色–愛因斯坦凝聚一樣,屬于物質在量子狀态下的形态。但是這兩種粒子特性卻又不同,特别在極低溫時表現得最為明顯:玻色子全部聚集在同一量子态上。費米子則與之相反,更像是“個人主義者”,各自占據着不同的量子态。“玻色一愛因斯坦凝聚态”物質由玻色子構成,聚成一個大原子,其行為像“集體主義”。
當然,目前費米子凝聚态未能完成制造出來,尚處于很大的争議之中。
早在1924年玻色和愛因斯坦就從理論上預言存在另外的一種物質狀态——玻色-愛因斯坦冷凝态,即當溫度足夠低、原子的運動速度足夠慢時,它們将集聚到能量最低的同一量子态。此時,所有的原子就象一個原子一樣,具有完全相同的物理性質。
由于當時科學實驗比較落後,沒有制造足夠低溫的手段。雖然過去幾十年來科學家一直為此努力,但是玻色-愛因斯坦冷凝态一直沒有能被制造出來。
直到1995年,麻省理工學院的沃夫岡·凱特利與科羅拉多大學鮑爾德分校的埃裡克·康奈爾和卡爾·威曼使用氣态的铷原子在170 nK(1.7×10−7K)的低溫下首次獲得了玻色-愛因斯坦凝聚。在這種狀态下,幾乎全部原子都聚集到能量最低的量子态,形成一個宏觀的量子狀态。值得一說的是,目前這種超低溫度,主要是使用激光冷卻的手段達到的。
玻色-愛因斯坦凝聚态具有哪些神奇特征和作用呢?
一、玻色-愛因斯坦凝聚下原子組成的集體步調非常一緻,因此内部沒有任何阻力。也就是說玻色愛因斯坦凝聚态物體具有超流性能,流動時候不受任何阻力,沒有任何粘滞力。超導和超流體都是玻愛凝聚的結果。
玻愛凝聚态的凝聚效應可以形成一束沿一定方向傳播的宏觀電子對波。這種波帶電,傳播中形成一束宏觀電流而無需電壓。
二、原子凝聚體中的原子幾乎不動,可以用來設計精确度更高的原子鐘,以應用于太空航行和精确定位等。
三、玻愛凝聚态的原子物質表現出了光子一樣的特性,正是利用這種特性,科學家們用玻色-愛因斯坦凝聚體使光的速度降為零,将光儲存了起來(目前存儲隻能短時間内存儲)。
玻色-愛因斯坦冷凝态可以有異常高的光學密度差,使用激光可以改變玻色—愛因斯坦凝聚态的原子狀态,使它們對一定的頻率的折射率驟增,這樣光束在其中的速度就會驟降。目前科學家利用這一特性,已經成功将光速減緩至十幾米每秒。
四、玻愛凝聚态的研究也可以延伸到其他領域,如利用磁場調控原子之間的相互作用,可以在物質第五态中産生類似于超新星爆發的現象。
另外還有将玻色-愛因斯坦冷凝态應用于黑洞模型的,他們認為黑洞物質就是玻色-愛因斯坦冷凝态。光不是被黑洞的引力束縛而無法逃離,而是被凍住,成為液态光,從而将光“囚禁”起來。
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