冷原子的量子烟花秀

石无鱼

节日里的烟花表演想必对于大家不会陌生吧？现在让我们来观赏另一种烟花——由量子流体的波动制造出来的美丽、微小的量子烟花。

这种量子烟花发生在玻色-爱因斯坦凝聚体中。玻色-爱因斯坦凝聚是物质除了固态、液态、气态、等离子态之外的第五种物态。它是怎么来的呢？它有哪些性质？这得先好好解释一下。

我们知道，微观粒子都是有自旋的，自旋是一种量子特性。而且奇怪得很，粒子的自旋值只能取普朗克常数的整数倍或半整数倍，如0、1/2、1、3/2……。自旋为整数的叫玻色子;自旋为半整数的叫费米子。有趣的是，玻色子和费米子在集体行为上表现得大相径庭。简单地说，玻色子喜欢“扎堆”，费米子喜欢“独处”。当许多玻色子聚在一起，步调一致地行动时，我们就称发生了“玻色-爱因斯坦凝聚”。

不過要得到玻色-爱因斯坦凝聚并不容易，需要把玻色子冷却到接近绝对零度。这通常要通过激光来完成。

我们回头谈量子烟花。铯原子是玻色子，最近美国芝加哥大学的物理学家把一些铯原子置入由几束激光围成的圆形陷阱（这就是著名的“光镊子”）中，将它们固定在一个地方，不许四处乱跑。陷阱直径26微米，只有细菌般大小。冷却之后，这些铯原子就形成了玻色-爱因斯坦凝聚体。

然后，科学家不断向凝聚体发射变化的磁场，激发铯原子进入更高的能量状态。这过程中，小小陷阱里产生了起伏的涟漪。

因为玻色子喜欢处于相同的状态，步调一致地行动，所以一旦一些铯原子被激发，更多的同伴就会加入其中。科学家发现，这种盲目的追随行为产生了一种放大效应，陷阱里的涟漪获得更多的能量，幅度越来越大。最后就像海浪拍打堤坝一样冲出陷阱，形成美丽的量子烟花。

这种现象太有趣了，是科学家完全没有想到的。科学家猜测，这个效应可能与量子力学中的零点能被放大有很大关系。

这个实验再一次让科学家感到，量子体系中有趣的事情实在是太多了，量子世界就像是一个挖掘不尽的宝藏。玻色-爱因斯坦凝聚体本来是一个被充分研究的领域，没想到在这次实验中观察到从未有过的现象，这为今后的研究开辟了一个新的思路。