玻爱凝聚态是个什么“鬼”

艾星雨

視之无形，听之无声，谓之幽冥。

——《淮南子·说山训》

《幽冥》是美国Netflix公司在2016年12月推出的一部科幻战争电影。在这部电影中，美国国防部高级研究计划局的一个科学家接受一项致命任务，带领一队精挑细选的三角洲部队士兵进驻一个被战争摧毁的城市，这里游荡着被称为“幽冥”的神秘幽灵，它们无形无色，能在不经意间造成大规模的伤亡。

难道是导演昏头了，这明明是一部惊悚鬼片的题材，怎么会拍成了一部科幻电影呢？看到最后观众才会发现，其实这些神秘幽灵并不是鬼怪，而是爱因斯坦曾预言过的一种物质形态。这又是个什么“鬼”？欲知详情，且看本文。

玻色-爱因斯坦凝聚态，比鬼怪还要难以理解

在电影《幽冥》中，马克·克莱恩是效力于美国国防部高级研究计划局的首席工程师，主要负责研发防御性的武器，比如超光谱护目镜。一天，克莱恩接到一个新任务，说在东欧与叛军作战的特种部队借助超光谱护目镜看见了某些无法描述的东西，于是克莱恩当即飞往摩尔多瓦，与他同时抵达的还有中情局特工弗兰·麦迪逊。美军基地最高指挥官奥伦德将军给他们看了超光谱护目镜拍摄的视频，一些似有若无的白色痕迹出现在画面之中。将军说，已经有士兵因为这些来历不明的东西而死去，死者的内脏仿佛被冰冻住，然而皮肤却留下了烧灼和腐蚀的痕迹。当地人认为，摩尔多瓦常年战争，死者众多，怨气丛生，这些神秘的东西正是被从地狱召唤来的“幽冥”。

在前往城市中部探查时，克莱恩他们找到了一名幸存的士兵，旋即与“幽冥”展开了一场近距离的遭遇战。这些“幽冥”会爬楼，会穿墙，会飞檐走壁，在一般士兵眼里还是隐身的。它们的攻击方式也很独特，迅速地“穿”过人体，人就冻结后立刻死去。在克莱恩的超光谱摄影机里，那些“幽冥”呈现出乳白色的人形，散发着绒毛一般的微光，一旦奔跑起来，就会出现无数的叠影，仿佛连续拍摄高速运动的物体后再慢速播放的回面。

凭借渊博的科学知识，克莱恩推断，“幽冥”并非传说中的鬼怪，而是由玻色一爱因斯坦凝聚态构成的神奇生命。

那么，这个玻色一爱因斯坦凝聚态到底是什么呢？光看名字的话，似乎比鬼怪还要难以理解。想要真正理解玻色一爱因斯坦凝聚态，需要从物质的形态讲起。

超低温和原子气体，这对死对头折腾科学家很多年

众所周知，物质最常见的形态有3种：固态、液态和气态。各态之间因为温度、压力等条件，是可以互相转换的。比如水，常温下是液态，低温下是固态，高温下又会变成气态。如果温度一直升高，升高到几万甚至几十万摄氏度，会发生什么样的事情？物质内部的原子就会抛掉带负电的电子，成为只带正电的离子。这种现象就是气体的电离化，电离化后的物质（通常是气体）叫“等离子态”，也被称为“电浆”。等离子态是物质的第四种形态，并且是宇宙中物质最普遍的一种形态。这是因为恒星内部的温度和压力都高到极点，构成恒星的物质几乎都是等离子态，而宇宙中恒星的数量非常之多。

等离子态是极端高温下的产物，要是温度一直往下低、往下低，比如说，接近绝对零度（-273.15℃），物质又会出现什么奇异的形态呢？

1924年，年轻的印度物理学家玻色给当时已经誉满全球的爱因斯坦寄了一篇论文，指出在原子尺度上我们根本不可能区分两个同类原子（如两个氧原子）有什么不同。而当时的主流观点认为，在一个体系中所有的原子（或分子）是可以辨别的。玻色的论文引起了爱因斯坦的注意。他将玻色的理论用于原子气体中，得出一个惊人的结论：在正常温度下，原子可以处于任何一个能级，各不相同，但在温度非常低时，大部分原子会突然跌落到最低的能级上，以至于看上去所有的原子都表现得一模一样，就像一个大原子。

科学家将物质的这一形态叫玻色一爱因斯坦凝聚态（简称“玻爱凝聚态”），是物质的第五种形态。

实现玻爱凝聚态的条件极为苛刻和矛盾：一方面需要达到极低的温度，另一方面还需要原子体系处于气态。可是，极低温度下的物质会冻结为固态，无法保持气态。这令科学家头疼不已。

科学家先是找到了稀薄的金属原子气体，这种气体不会因低温而冻结，下一步就是要创造出接近绝对零度的条件。借助激光冷却技术，科学家可以制造出与绝对零度仅仅相差十亿分之一摄氏度的低温。1995年6月，在玻爱凝聚态理论提出71年后，美国科学家康奈尔、维曼以及德国科学家克特勒在铷原子蒸气中直接观测到了玻爱凝聚态。这3位科学家也因此获得2001年度诺贝尔物理学奖。此后，这个领域经历着爆发性的发展，世界上有近30个研究组在9种元素的稀薄原子气中实现了玻爱凝聚态。

未来有大用，现在仍处于研究的初级阶段

为什么玻爱凝聚态如此受科学家的欢迎呢？这是因为在接近绝对零度的条件下，玻爱凝聚体的原子开始聚结、交迭并逐步同步，形成物质的全新形态，具有多种神奇的特性。

比如超流。液体和气体具有一般流动性，而处于玻爱凝聚态的物质具有“超流动性”：它可以无任何阻碍地通过连气体都无法通过的极微小的孔或狭缝（宽度约十万分之一厘米），甚至可顺着杯壁往上“爬”出杯子。

比如超导。科学家很早就知道有些金属在极端低温的条件下会失去电阻，这叫“零电阻效应”。同时，还会出现“迈斯纳效应”——当金属处在超导状态时，超导体内的磁感应强度为零，并把原来存在于体内的磁场排挤出去。原来科学家并不知道为什么会这样，现在他们知道了，其实就是那些金属进入了玻爱凝聚态。知道了这一点，对于研究高温超导体极有帮助。

通过对玻爱凝聚态的研究，还可以研究原子间的相互作用力、外场等对物质凝聚过程及动力学的影响。这不仅对基础研究有重要意义，而且在原子激光、原子钟、原子芯片、精密测量、量子计算机和纳米技术等领域都有非常好的应用前景。玻爱凝聚态的研究也可以延伸到其他领域，例如，利用磁场调控原子之间的相互作用，可以产生类似超新星爆发的现象，甚至还可以用玻爱凝聚态来模拟黑洞，研究这种宇宙中最神秘的星体。

目前，玻爱凝聚态只在实验室里极低的温度下才能够实现，在地球上的自然界中还没有发现。不过，不排除在宇宙的别处可能存在。

现实里，对玻爱凝聚态的研究还处在初级阶段，还有很多秘密等着科学家们去探索。而在《幽冥》电影里，有人已经把玻爱凝聚态作为武器来研发了。

察觉到所谓的“幽冥”其实是玻爱凝聚态的人形武器后，克莱恩进一步查出，所有的“幽冥”都来自马萨罗维核电站，因为想要制造玻爱凝聚态，需要近乎无穷的能量。既然“幽冥”是超低温制造出的玻爱凝聚态，那么用超高温的等离子态就可以瓦解。于是，克莱恩带领士兵制造出一大批等离子武器，然后赶去马萨罗维核电站。

克莱恩等人深入核电站，发现这里已经被摩尔多瓦叛军改造为武器研发基地。他们对人体进行精细到原子的扫描，再用玻爱凝聚态的材料通过3D打印机打印出来，这就是“幽冥”的来历。但是研究失控，“幽冥”逃出了核电站，而所有工作人员都在混乱中被杀死。这时，更多的“幽冥”逃出了囚笼，加入到外边的激战中，使战局越来越不利于人类。关键时刻，克莱恩启动了自毁程序，切断了“幽冥”的能量来源，于是那些“幽冥”戏剧性地失去了玻爱凝聚态，先是僵化，继而化作无数的粒子消失在空气中。

（责任编辑：白玉磊 责任校对：夏越）