藍色情懷

　　大多數人初次聽到玻色－愛因斯坦凝聚這個術語時，都感到既陌生又神秘。那它到底是什麼意思呢？

　　早在1924年，印度物理學家薩蒂延德拉‧玻色 (Stayendra Bose，1894～1974)提 出了一個分析光子行為的統計力學方法，也就是現在我們所說的「玻色統計」。玻色提出了一種新的統計理論，它與傳統的統計理論僅在一條基本假定上不同。傳統 統計理論假定一個系統中所有的粒子之間都是可以辨別的，可以給它們分別標上記號，並且相互之間不會混淆的。基於這一假定的經典的統計力學理論圓滿地解釋了 理想氣體定律，取得了非凡的成功。然而玻色卻認為，我們實際上根本不可能區分兩個光子之間有什麼不同。玻色討論了如下一個問題：將N個相同的小球放進M個標號為 1，2，……的箱子中，假定箱子的容積足夠大，可能有多少種不同的放法？在此問題的基礎上，他採用與傳統統計相似的方法得到了一套新的統計理論。

玻 色的理論無須借助經典電動力學的理論。就可以正確描述光子的行為，但他在發表自己的理論時卻遇到一些麻煩，因為人們不相信他的結果，不肯在科學雜誌上利登 他的論文。於是玻色就將論文寄給愛因斯坦這位當時最有名的物理學家。愛因斯坦立刻意識到這篇論文的重要性，並通過自己的影響力將它發表在德國的學術刊物 上。也許有人會問，玻色的理論為什麼還同時用愛因斯坦的名字來命名呢？

事 實上，愛因斯坦不但幫助玻色發表了論文，而且還進一步對他的理論進行深化和推廣。愛因斯坦認為，玻色的理論不但對光子適用，而且還可以用來研究所有原子的 行為。他最終建立了遵守玻色－愛因斯坦統計的粒子的完整量子模型。愛因斯坦發現，他建立的方程式表明，原子在非常低的溫度下的表現與通常狀態相比大為不 同。如果原子足夠冷，那麼就可能會有一些不同尋常的事情發生。它是那樣的奇異，以致愛因斯坦無法確定自己的理論是否正確。

也許有人認為，愛因斯坦是永遠不會錯的，但事實上他只對了一半。因為並不是所有原子都遵守玻色－愛因斯坦統計。現在我們已經知道，粒子實際上可以分成兩大類。一類稱為玻色子，遵守玻色－愛因斯坦統計；另一樣稱為費米子，遵守費米－狄拉克統計。

愛因斯坦的理論表明，在足夠低的溫度下，所有原子有可能處在相同的最低能級上，所有原子的行為就像一個粒子一樣。

為 了理解能級的概念，我們可以將原子想像成一個個的小球，它們被放進一個碗中滾動，並且讓其能量必須取一系列確定的數值，就像台階一樣從小到大，而不是以隨 便一個速度運動。這就是所謂的能級。量子力學認為，任何物體的能量都不是連續取值的，而只能是這種不連續的方式，當然，對一個宏觀的小球而言，相鄰的兩個 能級之間的差是很小的，以至我們根本不會察覺到。愛因斯坦的方程預言， 在正常溫度下，原子可以處於任何一個能級上，但在非常低的溫度下，大部分原子會突然跌落到最低的能級上，就好像一座突然坍塌的大樓一樣。這些堆積在最低能 級上的原子呈現的就是所謂的玻色－愛因斯坦凝聚態。值得注意的是，這裡的「凝聚」與日常生活中的凝聚不同，它表示原來不同狀態的原子突然「凝聚」到同一狀 態。

　　玻色－愛因斯坦凝聚態是物質的一種奇特的狀態，處於這種狀態的大量原子行為就像一個粒子一樣，可以「齊聲歌唱」，所以被稱為「超原子」。