艾瑞克·康奈爾(Eric Allin Cornell,1961年12月19日-)因在堿金屬原子的稀瓦斯中實作玻色-愛因史坦凝聚,以及對凝聚物性質的早期基礎研究,於 2001 年獲得諾貝爾物理學獎。
導讀:
當諾貝爾獎的榮光灑落在他的肩上時,艾瑞克·康奈爾這位年輕的物理學家,尚不滿四十歲,風華正茂,如日中天。然而,命運卻在他最輝煌的時刻,投下了一道陰影。三年後,一種罕見的食肉細菌無情地奪走了他的左臂,猶如繁星中的一顆流星,瞬間隕落。面對這突如其來的厄運,艾瑞克並未沈淪。相反,他以鋼鐵般的意誌,選擇了樂觀與堅強。經過艱苦卓絕的康復,他重新站了起來,再次踏進了他摯愛的實驗室。那裏,是他夢想起航的港灣,是他靈魂的歸宿。
他未曾忘記那個看似遙不可及的夢想——在萬米長跑的賽道上,將分鐘數壓縮至自己的年齡之下。這不僅是他對速度的追求,更是對生命的熱愛與對挑戰的不屈。
手術後僅僅七個月,艾瑞克便開始了他艱難而又堅定的復健之路。他努力保持身體的平衡,從最初的蹣跚學步,到後來的穩健奔跑。他知道,自己的身影或許在別人眼中顯得笨拙,甚至滑稽,但他毫不在意。他說:「如果我跑步的樣子把別人嚇著,那就讓他們見鬼去吧。」這句話,既是他對自我的調侃,也是他對命運的宣戰。他用自己的行動,向世界證明,即使身體殘疾,也無法束縛他對夢想的追求與對生活的熱愛。
物理學家艾瑞克·康奈爾 (Eric Cornell) 即使年輕時也不是什麽運動健將,只能說是一個俊秀的文弱書生。 他1961年出生時父母都是史丹佛大學的研究生,其後便在大學校園環境中長大。 他是在人到中年之後才對跑步感興趣的。他任職的科羅拉多 (Colorado) 大學所在的柏德市每年春夏之交舉行著名的「大膽柏德」 (Bolder Boulder) 萬米競賽,他一年不拉地參加。幾次跑下來,他發現可以達到一個不大不小的目標:讓自己的萬米長跑成績 (以分鐘計算) 低於自己的年齡 。 2004年之際,42歲的他跑出了50分47秒的成績。那時他正值壯年,跑步成績在提高,同時年齡也在增長,可以說達到他的目標是指年可待了。
然而,就在那年十月份,他的命運發生了重大轉折。
雷射制冷
康奈爾那時是博士後,剛從麻省理工學院 (MIT) 畢業不久到科羅拉多大學工作。我們會上會下經常在一起。他個子不是很高,但瘦長清秀,非常健談。在大學期間,他曾經花了近一年時間到中國大陸和台灣教英語並借機學習中文,試圖以此為業。但所幸的是他最終還是回到了物理學領域。因為是小字輩,會議沒有安排他發言。他所從事的雷射制冷領域是由他原來在麻省理工學院的導師介紹的。因為大會上的介紹比較過於抽象,康奈爾在一次吃飯時間坐下來在一張餐巾紙上畫了個簡圖,專門給筆者開了個小竈。
在通常情況下,熱量是透過傳導、對流、蒸發和放射線等手段傳輸。讓一個物體降溫便需要將其所含有的熱量傳輸出來。當物體的溫度降到一定程度,這些手段都會逐漸失去效用。對流是流體內部的熱量傳遞,與降溫關系不大。低溫的物體幾乎沒有熱放射線。蒸發雖然總是存在的,但蒸發在帶走熱量的同時會失去一部份已經降溫的材料,因此不能作為降溫的主要手段。傳導更是不可能:在極低溫的情況下,實驗材料的溫度比外圍容器要低得多。傳導只能導致其溫度升高,因此需要避免或減小。在這樣的條件下,雷射制冷幾乎成為唯一的途徑。
雷射是因為頻率同一而聚集效能非常好的光束,可以將強大的能量集中在很小的地方。因此雷射在工業界有很多套用途徑,甚至可以制成武器摧毀敵方的飛彈等目標。正因為如此,用雷射來制冷似乎是南轅北轍。然而,雷射制冷的原理也正在於雷射傳輸能量的定向性和可調性——雷射可以提供大量步調一致、特定頻率的光子。
早先,波耳 (Niels Bohr) 在構造其原子結構的經典模型時曾假設原子只能吸收和發射特定頻率的光。愛因史坦更進了一步,認為那是原子與帶有特定能量的單個光子交互作用的結果,並據此奠定了量子世界中原子與光交互作用的機理——原子透過不斷地吸收和發射光子與周圍的電磁環境達到熱平衡。但能夠與原子實作交互作用的只是那些頻率與原子能階躍遷共振的光子。也就是說,光子的頻率必須與原子的兩個狀態之間能量差相同時才能被原子吸收或發射,其它頻率的光子則只能與該原子「擦肩而過」。
不過原子本身的熱運動是隨機的。如果光子來自一個方向,有的原子會被迎面相撞,有點則就被從後面推上一把。這樣有的被減速,有的則被加速,並不能達到整體的降溫效果——除非原子只能吸收迎面來的光子而對後面追上來的光子置之不理。
恰巧的是,這也是能夠做得到的。
實際上,原子本身的速度和光子的頻率都有一定的分布,它們之間並不是絕對的是否能吸收,而是吸收的可能性大小不同。透過微調雷射的頻率,可以做到原子吸收迎面而來的光子的機率遠大於吸收後面追來的光子的機率。這樣,原子每吸收光子一次,便因為撞擊而減速一次。長期積累,其速度越來越小,也就是溫度越來越低。
康奈爾當時正在設計這樣的一個裝置。他準備用電磁場將大量銣原子以稀薄瓦斯狀態懸浮在空中,不與任何容器接觸。然後用多束雷射同時以計算好的角度照射,在各個方向都有光子去撞擊中間的原子。這樣,一個個原子的熱運動速度被逐漸減慢。他的設計還可以在最後時刻「開啟蓋子」,讓比較熱的原子蒸發出去,這樣剩下的原子便都是極低溫的瓦斯,正是實作玻愛凝聚的理想材料。
會議的最後一天是自由發言,與會者濟濟一堂,爭先談論會議中提出的一些熱門話題。筆者註意到旁邊的康奈爾坐立不安。他一會兒在紙上寫著畫著,一會兒低頭默默地念念有詞,躍躍欲試地想舉手發言。但最後還是放棄了。透過雷射制冷原子瓦斯來達到玻愛凝聚的想法也沒有人在那會上認真提及。
SAIXIANSHENG
人生變故
在1995年,康奈爾的大名上了新聞,他設計的實驗獲得了巨大成功,把銣原子冷卻到了170納度以下。那是人類所知的世界裏從來沒有達到過的低溫,距離絕對零度只有1.7/10000000度的距離。在那個溫度以下,他們觀測到處於零動量附近的銣原子數目突然大幅增加,形成一個醒目的團體——正是人們等待了70來年的波愛凝聚體。當時,康奈爾年僅33歲,正值新婚燕爾。
也許是與玻色-愛因史坦凝聚態形成相關的最著名的影像,該圖顯示了三維連續快照,其中銣原子從密度較低的紅色、黃色和綠色區域凝結成非常密集的藍色到白色區域。圖源:NIST/JILA/CU-Boulder
這一成就是如此輝煌,僅僅6年以後,康奈爾和他的合作者卡爾·威曼 (Carl Wieman) 以及另一位同期實作了波愛凝聚的物理學家就榮獲了2001年的諾貝爾物理學獎。 (在這之前,朱棣文Steven Chu和另外兩位物理學家已經於1997年因為在雷射制冷技術上的貢獻獲得了諾貝爾獎。)
2001年12月10日,康奈爾從瑞典國王卡爾十六世·古斯塔夫手中接過諾貝爾獎。
手術後,康奈爾在昏迷中掙紮了兩個半星期,才漸漸蘇醒。他幾乎無法自主呼吸,不得不依賴氣管切開術來維持生命。他的身體無法自行坐起,但他卻憑借著堅強的意誌和樂觀的精神,一步一步踏上了康復的征程。
諾貝爾獎得主Theodor W. Hänsch在慕尼黑大學的辦公室外展示的一張合影, 四位諾貝爾物理學得主 從左至右為:Steven Chu,Eric Cornell,Charles Townes和 Theodor W. Hänsch 。
同時,物理學界對玻愛凝聚的研究也在不斷地取得進展。凝聚體不再局限於康奈爾的那少得可憐的銣原子瓦斯。科學家們陸續用多種不同的原子瓦斯實作了玻愛凝聚。1999年,光子的玻愛凝聚——玻色最初研究的粒子——也被觀察到。2003年又實作了分子瓦斯的波愛凝聚。其後不久,在由費米子構成的瓦斯裏也觀測到了( 透過「配對」機制實作的) 波愛凝聚。這一歷史悠久的理論預測已經成為物理世界的普遍現實。‘
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