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编者注：本文的主要内容最初发表于1998年3月刊的《大众科学》，鉴于作者之一卡尔·威曼最近被提名为科技政策办公室科学副主任，特此发布。两位作者因发现玻色-爱因斯坦凝聚态而于2001年获得诺贝尔物理学奖。（沃尔夫冈·克特勒 也因其贡献而分享了当年的奖项。）包含完整文章和所有艺术作品的版本可供购买 (PDF)。
1995年6月，我们在科罗拉多州博尔德市联合实验室天体物理研究所（现称为JILA）的研究小组成功创造了一个微小但奇妙的液滴。通过将2000个铷原子冷却到绝对零度以上不到千亿分之一度（开尔文温标的千亿分之一度），我们使原子在整整10秒内失去了它们的个体身份，并表现得好像它们是一个单一的“超原子”。原子的物理特性，例如它们的运动，变得彼此相同。这种玻色-爱因斯坦凝聚态（BEC）是首次在气体中观察到的，可以被认为是激光的物质对应物——只不过在凝聚态中，以完美的统一方式跳舞的是原子，而不是光子。
我们短暂存在的、冰冷的样本是对物理学家阿尔伯特·爱因斯坦和萨特延德拉·纳特·玻色大约73年前的著作所预测的理论构造的实验实现。在常温下，气体的原子分散在容纳它们的容器中。有些原子具有高能量（高速度）；另一些原子具有低能量。在玻色研究的基础上，爱因斯坦表明，如果将原子样本充分冷却，则其中很大一部分原子将沉降到容器中单个最低可能的能量状态。用数学术语来说，它们的各个波动方程——描述原子物理特征（如位置和速度）——实际上会合并，并且每个原子都将变得与任何其他原子无法区分。
创造玻色-爱因斯坦凝聚态的进展引起了物理学界的极大兴趣，甚至在主流媒体中也引起了报道。起初，一些关注源于证明爱因斯坦理论的数十年探索中固有的戏剧性。但是，现在大部分的迷恋源于凝聚态提供了一个宏观窗口，可以窥视量子力学的奇异世界，量子力学是基于对基本粒子（如电子）具有波动性质的观察而建立的物质理论。量子力学，包括著名的海森堡不确定性原理，使用这些波动性质来描述物质的结构和相互作用。
我们很少能在宏观数量的物质的行为中观察到量子力学的效应。在普通的、所谓的块状物质中，数量多到不可计数的组成粒子的不相干贡献掩盖了量子力学的波动性质，我们只能推断其效应。但是在玻色凝聚中，每个原子的波动性质都与每个其他原子的波动性质完全同相。量子力学波在凝聚态样本中延伸，可以用肉眼观察到。因此，亚微观变为宏观。
旧悖论的新启示
玻色-爱因斯坦凝聚态的创造为量子力学的长期存在的悖论提供了新的启示。例如，如果两个或多个原子处于单个量子力学状态（就像它们在凝聚态中一样），则从根本上不可能通过任何测量来区分它们。这两个原子占据相同的空间体积，以相同的速度移动，散射相同颜色的光等等。
我们基于对常温下物质的熟悉程度的经验，无法帮助我们理解这个悖论。那是因为在常温和我们都熟悉的尺寸尺度下，有可能描述物体的集合中每个物体的位置和运动。用于选择彩票号码的旋转滚筒中弹跳的编号乒乓球例证了可以用经典力学描述的运动。
另一方面，在极低的温度或小尺寸尺度下，经典力学的实用性开始下降。原子作为乒乓球的清晰类比开始变得模糊。我们无法知道每个原子的确切位置，最好将其视为模糊的点。这个点——称为波包——是我们期望找到原子的空间区域。随着原子集合变得越来越冷，每个波包的大小都会增大。只要每个波包在空间上与其他波包分离，至少在原则上，有可能区分原子。但是，当温度变得足够低时，每个原子的波包开始与相邻原子的波包重叠。当这种情况发生时，原子“玻色凝聚”到最低可能的能量状态，并且波包聚合成一个宏观波包。原子经历量子身份危机：我们再也无法区分一个原子和另一个原子。
目前对这些凝聚态的兴奋与1925年爱因斯坦发现它们可能存在时的反应形成鲜明对比。也许是由于当时无法达到所需的温度——低于百万分之一开尔文度——假想的气态凝聚态被认为是可疑有效性且物理意义甚微的好奇事物。从角度来看，即使是星际空间最冷的深处，对于玻色凝聚而言也热数百万倍。
然而，在随后的几十年中，玻色凝聚又重新流行起来。物理学家意识到，这个概念可以解释液氦中的超流性，液氦中的超流性发生在比气态玻色凝聚高得多的温度下。在2.2开尔文以下，液氦的粘度完全消失——将“超”字放入了超流性中。
直到1970年代后期，制冷技术才发展到物理学家可以考虑创造类似于爱因斯坦最初的气体BEC概念的程度。麻省理工学院、阿姆斯特丹大学、不列颠哥伦比亚大学和康奈尔大学的实验室工作人员不得不面对一个根本困难。为了实现这样的BEC，他们必须将气体冷却到远低于原子通常冻结成固体的温度。换句话说，他们必须创造一种过饱和气体。他们的期望是氢会过饱和，因为已知该气体可以抵抗在本体冻结之前发生的原子-原子团聚。
尽管这些研究人员尚未成功地用氢气创造玻色-爱因斯坦凝聚态，但他们确实对困难有了更好的理解，并找到了巧妙的方法来解决这些困难，这对我们有所帮助。1989年，受到氢气工作的启发，并受到我们自己对使用激光捕获和冷却碱金属原子研究的鼓舞，我们开始怀疑这些原子（包括铯、铷和钠）将比氢气更适合用于产生玻色凝聚态。尽管铯、铷和钠的团聚特性不如氢气，但这些原子转变为凝聚态的速度远快于氢原子。这些更大的原子以更高的速率彼此碰撞，更快地共享彼此之间的能量，这使得凝聚态可以在团聚发生之前形成。
此外，看起来通过将为激光冷却和捕获碱金属原子开发的巧妙技术与研究氢气的研究人员开发的磁阱和蒸发冷却技术相结合，可能相对容易且廉价地使这些原子变得非常冷。这些想法是在与我们的朋友和前任老师丹尼尔·克莱普纳（Daniel Kleppner）进行的一系列讨论中提出的，丹尼尔·克莱普纳是麻省理工学院一个尝试用氢气制造凝聚态的小组的共同负责人。
我们关于碱金属原子的假设最终取得了成果。就在我们成功使用铷的几个月后，沃尔夫冈·克特勒在麻省理工学院的小组用钠原子制造了玻色凝聚态；从那时起，克特勒的团队成功地制造了具有1000万个原子的凝聚态。在撰写本文时，至少有七个团队正在生产凝聚态。除了我们自己的团队外，其他使用铷的团队还有德克萨斯大学奥斯汀分校的丹尼尔·J·海因岑、德国康斯坦茨大学的格哈德·雷姆佩和耶鲁大学的马克·卡塞维奇。在钠方面，除了麻省理工学院的克特勒团队外，还有马萨诸塞州剑桥市罗兰科学研究所的莱恩·韦斯特加德·豪领导的团队。在莱斯大学，兰德尔·G·休利特成功地用锂制造了凝聚态。
所有这些团队都使用相同的基本装置。与任何类型的制冷一样，原子的冷却需要一种去除热量的方法，以及将冷却后的样品与周围环境隔离的方法。这两个功能都分两个步骤完成。首先，激光对原子的作用力既冷却又隔离原子。其次，我们使用磁场进行隔离，并通过蒸发进行冷却。
激光冷却和捕获
我们装置的核心是一个小的玻璃盒子，周围缠绕着一些线圈[参见第40页和41页的插图]。我们完全抽空了细胞，实际上产生了一个超高效的保温瓶。接下来，我们让少量铷气体进入。六束激光束在盒子的中间相交，汇聚在气体上。激光束不需要很强，因此我们从廉价的二极管激光器中获得激光束，类似于在光盘播放器中发现的激光器。
我们调整激光辐射的频率，使原子吸收它，然后重新辐射光子。原子每秒可以吸收和重新辐射数百万个光子，并且每吸收和重新辐射一个光子，原子都会在吸收光子运动方向上受到微小的踢力。这些踢力称为辐射压。激光冷却的诀窍是使原子主要吸收朝原子运动方向相反方向传播的光子，从而减慢原子速度（换句话说，冷却原子）。我们通过仔细调整激光频率相对于原子吸收光频率来实现这一壮举[参见上面的插图]。
在这种设置中，我们不仅使用激光来冷却原子，还使用激光来“捕获”原子，使它们远离细胞的室温壁。实际上，激光的两种应用是相似的。通过捕获，我们使用辐射压来抵抗原子偏离细胞中心的趋势。一个弱磁场调整原子的共振，使其优先从指向细胞中心的激光束中吸收（回想一下，六束激光束在细胞中心相交）。最终效果是所有原子都被推向一个点，并仅通过激光力的作用力保持在那里。
这些技术在一分钟内将我们的激光阱填充了1000万个从细胞中室温铷蒸气中捕获的原子。这些捕获的原子温度约为绝对零度以上40百万分之一度——按照大多数标准来看，这是一个非常低的温度，但仍然比形成BEC所需的温度高100倍。在激光照射下，原子从单个光子撞击中接收到的不可避免的随机碰撞阻止了原子变得更冷或更密集。
为了绕过这些随机光子撞击施加的限制，我们此时关闭激光器，并激活冷却过程的第二阶段。这一阶段基于在寻求用氢原子实现凝聚态的过程中开发的磁阱和蒸发冷却技术。磁阱利用了每个原子都像一个微小的条形磁铁一样工作的事实，因此当放置在磁场中时会受到力的作用[参见对面页的插图]。通过仔细控制磁场的形状并使其相对较强，我们可以使用磁场来保持原子，原子在磁场内移动，很像球在深碗内滚动。在蒸发冷却中，能量最高的原子从这个磁碗中逸出。当它们逸出时，它们带走了超过其份额的能量，使剩余的原子更冷。
这里的类比是冷却咖啡。能量最高的水分子从杯子中跳到房间里（以蒸汽的形式），从而降低了留在杯子中的液体的平均能量。与此同时，杯子中无数剩余分子之间的碰撞将剩余能量分配给所有这些分子。我们的磁阱原子云的密度远低于杯子中的水分子密度。因此，我们五年以来面临的主要实验挑战是如何使原子彼此碰撞足够多次以共享能量，然后在它们因与玻璃细胞中剩余的未捕获的室温原子碰撞而被撞出陷阱之前。
许多小的改进，而不是一次突破，解决了这个问题。例如，在组装细胞及其连接的真空泵之前，我们非常小心地清洁每个零件，因为手在内表面上的任何残留物都会释放出蒸汽，从而降低真空度。此外，我们确保细胞中剩余的少量铷蒸气尽可能小，同时提供足够数量的原子来填充光学阱。
诸如此类的渐进式步骤有所帮助，但仍然使我们远远达不到开始蒸发冷却所需的密度。基本问题是磁阱的有效性。尽管构成限制性磁“碗”的磁场可能非常强，但每个原子内部的小“条形磁铁”却很弱。即使原子移动得非常缓慢（就像我们的激光冷却原子一样），这种特性也使得用磁场推动原子变得困难。
在1994年，我们最终面临着构建一个具有更窄、更深碗的磁阱的需求。我们快速构建的、窄而深的磁阱被证明是将铷原子蒸发冷却成凝聚态所需的最后一块拼图。事实证明，我们特定的陷阱设计绝不是唯一的解决方案。目前，磁阱配置几乎与研究这些凝聚态的团队一样多。
“超原子”的阴影快照
我们如何知道我们实际上已经产生了玻色-爱因斯坦凝聚态？为了观察冷却原子的云，我们用激光闪光拍摄所谓的阴影快照。由于原子在冷却时会沉入磁碗的底部，因此冷云太小而难以看清。为了使其更大，我们关闭了限制性磁场，使原子可以自由地向各个方向飞出。大约0.1秒后，我们用激光闪光照射现在已膨胀的云。原子将光从光束中散射出来，投下阴影，我们用摄像机观察该阴影。从这个阴影中，我们可以确定原始捕获云中原子的速度分布。速度测量还可以告诉我们样品的温度。
在速度分布图中[参见对面页的插图]，凝聚态以背鳍状峰值出现。凝聚态原子具有尽可能小的速度，因此在云膨胀后仍保持在云中心的一个密集簇中。这张凝聚态照片进一步证明了经典力学存在问题。凝聚态以最低可能的能量形成。在经典力学中，“最低能量”意味着原子应位于陷阱的中心并且静止不动，这将在我们的图像中显示为无限窄且高的峰值。由于量子效应，该峰值与这种经典概念有所不同，量子效应可以用三个词概括：海森堡不确定性原理。
不确定性原理限制了对任何事物（包括原子）的可知性。您对原子位置的了解越精确，您对其速度的了解就越差，反之亦然。这就是为什么凝聚态峰值不是无限窄的原因。如果是无限窄的，我们将知道原子位于陷阱的确切中心并且具有完全为零的能量。根据不确定性原理，我们不能同时知道这两件事。
爱因斯坦的理论要求凝聚态中的原子具有尽可能低的能量，而海森堡不确定性原理禁止它们位于陷阱的最底部。量子力学通过假设容器（包括我们的陷阱）中原子的能量只能是一组离散的、允许的值之一来解决此冲突——并且这些值中最低的值并非完全为零。这个最低允许能量称为零点能量，因为即使温度恰好为零的原子也具有这个最小能量。具有这种能量的原子在陷阱中心附近缓慢移动——但并非完全位于中心。不确定性原理和其他量子力学定律通常仅在亚微观物体（例如单个原子或更小的物体）的行为中可见。因此，玻色-爱因斯坦凝聚态是宏观世界中不确定性原理起作用的罕见示例。
原子玻色-爱因斯坦凝聚态太新颖、太与众不同，我们无法说其用途最终是否会扩展到量子力学的讲座演示之外。任何关于凝聚态实际应用的讨论必然是推测性的。然而，我们的思考可以受到一个引人注目的物理类比的指导：构成玻色凝聚态的原子在许多方面都类似于构成激光束的光子。
精确控制的终极目标？
激光束中的每个光子都沿完全相同的方向传播，并具有相同的频率和振荡相位。这种特性使激光束非常容易精确控制，并使其在光盘播放器、激光打印机和其他设备中得到应用。类似地，玻色凝聚态代表了精确控制的终极目标——但针对的是原子而不是光子。玻色凝聚态的物质波可以被反射、聚焦、衍射和调制频率和幅度。这种控制很可能导致时间保持的改进；世界上最好的时钟已经基于激光冷却原子的振荡。应用也可能出现在其他领域。在异想天开的情况下，可以想象一束原子聚焦到一个只有百万分之一米宽的点上，将晶体管“喷绘”到集成电路上。
但就目前而言，玻色-爱因斯坦凝聚态的许多特性仍然未知。特别令人感兴趣的是凝聚态的粘度。现在的推测是粘度将非常小，使凝聚态成为一种“超气体”，一旦被激发，其中的涟漪和漩涡将永远不会衰减。另一个令人好奇的领域集中在激光和凝聚态之间的基本差异上。激光束是非相互作用的——它们可以交叉而根本不相互影响。另一方面，凝聚态对压缩具有一定的抵抗力，并且具有一定的弹性——简而言之，它是一种流体。一种既是流体又是相干波的材料将表现出丰富的行为，这是物理学家说需要很长时间才能弄清楚的一种方式。
与此同时，许多小组已经开始对凝聚态进行各种测量。在一个可爱的实验中，克特勒的小组已经表明，当两个独立的玻色凝聚态云重叠时，结果是交替的相长和相消干涉的条纹图案，就像相交的激光辐射一样。在原子云中，这些区域分别以高密度和低密度的条纹形式出现。我们的小组已经研究了原子之间的相互作用如何扭曲原子云的形状以及在我们用磁场轻轻“戳”它后它颤动的方式。许多其他团队现在正在设计他们自己的实验来加入这项工作。
随着未来几年从这些和其他实验中开始积累结果，我们将提高我们对这种奇异物质状态的理解。当我们这样做时，奇异而迷人的量子力学世界将离我们自己的世界更近一步。