施郁（复旦大学物理学系）
在量子力学主导的微观世界，同种微观粒子是全同的、不可分辨的 。这一方面是说基本的参数（比如质量、电荷）是一样的，但是还有更深刻的含义，即所谓的交换对称性：一组全同粒子由一个整体的量子态描述，如果交换任意两个粒子，所得到的量子态与原来的量子态要么完全一样，要么相差一个负号 。这是因为交换以后再交换，必须回到原来的量子态 。表现出前一种情况的粒子叫做玻色子，表现出后一种情况的粒子叫做费米子 。
【玻色爱因斯坦分布 什么是玻色爱因斯坦凝聚态？】这个规律的后果是，同一种单个玻色子的量子态可以互相相同 。也就是说，它们可以占据相同的量子态 。为了简单起见，我们假设有这样一组玻色子，它们之间没有相互作用，这叫做玻色气体 。对于每个玻色子来说，它的每个可能的能量都对应于一个量子态 。因为我们假设了玻色子之间没有相互作用，这个玻色气体的总能量就是每个玻色子的能量之和 。既然这些玻色子可以处于相同的状态，那么它们就可以全部处于对应于最低的单个玻色子能量的那个量子态（叫做单个玻色子的基态） 。也就是说，玻色气体的基态可以是这样一个量子态，其中每个玻色子处于单个玻色子的基态 。这样的量子态就叫做玻色-爱因斯坦凝聚态 。
这个概念可以推广到有相互作用的情况 。简单来说，是指玻色子组成的整体系统中，每个玻色子处于相同量子态的几率接近1的数量级 。

文章插图
原子从俘获势中释放后的密度分布 。(左)热云刚过相变，(中)部分冷凝云和(右)几乎纯冷凝云 。
玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）是一种物质状态，其中分离的原子或亚原子粒子冷却至接近绝对零（0K，-273.15°C或-459.67°F;K=开尔文），聚结为单个量子实体-即可以用波函数描述的实体-接近宏观 。1924年，阿尔伯特·爱因斯坦根据印度物理学家SatyendraNathBose的量子公式预测了这种物质 。
玻色-爱因斯坦凝聚物（BEC）是一种非常特殊，有趣且基本的物质，实际上是一种由原子粒子组成的气体 。它同时显示出两个不同的真正量子力学特征 。其中之一就是像大原子的本质一样的波，这种行为在非常低的温度下变得越来越明显 。另一个特性是，具有整数固有角动量（自旋）的粒子原则上都可以处于相同的量子态 。光子，电磁辐射的量子是自旋为1的特定种类的玻色子，而其静止质量为零 。SatendyraBose通过假设普朗克定律的性质，推导出了普朗克定律，并在1924年把他的成果发给了爱因斯坦，爱因斯坦认识到这一想法的重要性，因此建议Bose发表论文 。此后不久，爱因斯坦本人于同年发现该推导可以扩展到气体，由大颗粒（不同于光子）组成的情况，并预测普通气体也可以以这种特定状态被引入，这就是为什么命名为Bose-Einstein凝聚 。就像我们说过的那样，只有具有整数自旋的粒子才能形成冷凝物，为了纪念玻色，这种粒子被称为玻色子 。电子和其他具有半整数自旋的粒子不会表现出这种行为，除非特定的相互作用将它们耦合为对，以便该对具有整数自旋 。
尽管已经预测了数十年，但第一次原子BEC直到1995年才被制备出来，当时JILA的EricCornell和CarlWieman是由美国国家标准技术研究院（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校联合运营的研究机构，冷却的铷原子气体在1.7×10-7?，高于绝对零度 。与麻省理工学院（MIT）的沃尔夫冈·凯特尔（WolfgangKetterle）一起制备了了含钠原子的BEC的，这些研究人员还获得了2001年诺贝尔奖物理 。BEC的研究扩展了对量子物理学的理解，并导致了新的物理效应的发现 。

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