埃里克・康奈尔的发表论文

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1924年,年轻的印度学者玻色撰写了一篇论文,用完全不同于经典电动力学的统计方法,导出了普朗克黑体辐射公式。他将论文寄给著名物理学家爱因斯坦,期望得到后者认同。爱因斯坦马上认识到该文的价值,立即将其译成德文发表。随后,爱因斯坦又将玻色的方法推广应用到单原子理想气体,并预言这些原子当它们之间的距离足够近、热运动速度足够慢时将会发生相变,变成一种新的物质状态――玻色-爱因斯坦凝聚。处在这种状态的气体原子,其总自旋一定为整数,即为玻色子。当温度足够低时,这些原本各自独立的气体原子会变成一群“统一行动”的原子,即“凝聚”在一个相同的能量最低的量子态,形成一个新的宏观物质状态。爱因斯坦的论文发表后,引起了物理学家的普遍关注。经过70多年的努力,直到1995年,才由美国科罗拉多州博耳德实验天体物理联合研究所(JILA) 的康奈尔和韦曼以及麻省理工学院(MIT)的克特勒先后在实验中真正获得了玻色-爱因斯坦凝聚。
应当指出,要获得玻色-爱因斯坦凝聚,就必须将单原子气体冷却到绝对零度之上一百亿分之一摄氏度,这是十分困难的。大约在1990年,韦曼应用朱棣文等人发展起来的激光冷却和原子阱囚禁技术拟定了一个在碱原子中实现玻色-爱因斯坦凝聚的实验方案:先在磁光阱中用激光冷却碱原子,然后再应用射频“蒸发”冷却除掉在磁阱中那些速度快的原子以达到玻色-爱因斯坦凝聚所必需的低温。美国JILA小组的康奈尔和韦曼采用上述方案使铷原子系统的温度降低至170nK,并通过在样品上加上足够快的旋转磁场来避免阱中心原子的丢失,终于在1995年6月成功地实现了铷原子的玻色-爱因斯坦凝聚。几乎同时,美国MIT普里特查德(D.E.Pritchard)小组的克特勒用类似的方法实现了钠原子的玻色-爱因斯坦凝聚。由于他通过聚焦在阱中心的强大激光束来阻止原子的丢失,得到了包含更多原子数的凝聚物,使得测量这些凝聚物的性质成为可能。在这三位诺贝尔奖得主所做的开创性实验之后,又有20多个研究小组获得了玻色-爱因斯坦凝聚物。但是,在这个研究领域,这三位诺贝尔奖得主所在的研究小组始终保持着他们的领先地位。

拉曼效应的发现之旅

1921年夏天,航行在地中海的客轮“纳昆达”号(S.S.Narkunda)上,有一位印度学者正在甲板上用简易的光学仪器俯身对海面进行观测。他对海水的深蓝色着了迷,一心要研究海水颜色的来源。这位印度学者就是拉曼。他正在去英国的途中,是代表了印度的最高学府――加尔各答大学,到牛津参加英联邦的大学会议,还准备去英国皇家学会发表演讲。这时他才33岁。对拉曼来说,海水的蓝色并没有什么稀罕。他上学的马德拉斯大学,面对本加尔(Bengal)海湾,每天都可以看到海湾里变幻的海水色彩。事实上,他早在16岁(1904年)时,就已熟悉著名物理学家瑞利用分子散射中散射光强与波长四次方成反比的定律(也叫瑞利定律)对蔚蓝色天空所作的解释。不知道是由于从小就养成的对自然奥秘刨根问底的个性,还是由于研究光散射问题时查阅文献中的深入思考,他注意到瑞利的一段话值得商榷,瑞利说:“深海的蓝色并不是海水的颜色,只不过是天空蓝色被海水反射所致。”瑞利对海水蓝色的论述一直是拉曼关心的问题。他决心进行实地考察。于是,拉曼在启程去英国时,行装里准备了一套实验装置:几个尼科尔棱镜、小望远镜、狭缝,甚至还有一片光栅。望远镜两头装上尼科尔棱镜当起偏器和检偏器,随时都可以进行实验。他用尼科尔棱镜观察沿布儒斯特角从海面反射的光线,即可消去来自天空的蓝光。这样看到的光应该就是海水自身的颜色。结果证实,由此看到的是比天空还更深的蓝色。他又用光栅分析海水的颜色,发现海水光谱的最大值比天空光谱的最大值更偏蓝。可见,海水的颜色并非由天空颜色引起的,而是海水本身的一种性质。拉曼认为这一定是起因于水分子对光的散射。他在回程的轮船上写了两篇论文,讨论这一现象,论文在中途停靠时先后寄往英国,发表在伦敦的两家杂志上。