埃里克·康奈尔(Eric Allin Cornell,1961年12月19日-)因在碱金属原子的稀气体中实现玻色-爱因斯坦凝聚,以及对凝聚物性质的早期基础研究,于 2001 年获得诺贝尔物理学奖。
导读:
当诺贝尔奖的荣光洒落在他的肩上时,埃里克·康奈尔这位年轻的物理学家,尚不满四十岁,风华正茂,如日中天。然而,命运却在他最辉煌的时刻,投下了一道阴影。三年后,一种罕见的食肉细菌无情地夺走了他的左臂,犹如繁星中的一颗流星,瞬间陨落。面对这突如其来的厄运,埃里克并未沉沦。相反,他以钢铁般的意志,选择了乐观与坚强。经过艰苦卓绝的康复,他重新站了起来,再次踏进了他挚爱的实验室。那里,是他梦想起航的港湾,是他灵魂的归宿。
他未曾忘记那个看似遥不可及的梦想——在万米长跑的赛道上,将分钟数压缩至自己的年龄之下。这不仅是他对速度的追求,更是对生命的热爱与对挑战的不屈。
手术后仅仅七个月,埃里克便开始了他艰难而又坚定的复健之路。他努力保持身体的平衡,从最初的蹒跚学步,到后来的稳健奔跑。他知道,自己的身影或许在别人眼中显得笨拙,甚至滑稽,但他毫不在意。他说:「如果我跑步的样子把别人吓着,那就让他们见鬼去吧。」这句话,既是他对自我的调侃,也是他对命运的宣战。他用自己的行动,向世界证明,即使身体残疾,也无法束缚他对梦想的追求与对生活的热爱。
物理学家埃里克·康奈尔 (Eric Cornell) 即使年轻时也不是什么运动健将,只能说是一个俊秀的文弱书生。 他1961年出生时父母都是斯坦福大学的研究生,其后便在大学校园环境中长大。 他是在人到中年之后才对跑步感兴趣的。他任职的科罗拉多 (Colorado) 大学所在的伯德市每年春夏之交举行著名的「大胆伯德」 (Bolder Boulder) 万米竞赛,他一年不拉地参加。几次跑下来,他发现可以达到一个不大不小的目标:让自己的万米长跑成绩 (以分钟计算) 低于自己的年龄 。 2004年之际,42岁的他跑出了50分47秒的成绩。那时他正值壮年,跑步成绩在提高,同时年龄也在增长,可以说达到他的目标是指年可待了。
然而,就在那年十月份,他的命运发生了重大转折。
激光制冷
康奈尔那时是博士后,刚从麻省理工学院 (MIT) 毕业不久到科罗拉多大学工作。我们会上会下经常在一起。他个子不是很高,但瘦长清秀,非常健谈。在大学期间,他曾经花了近一年时间到中国大陆和台湾教英语并借机学习中文,试图以此为业。但所幸的是他最终还是回到了物理学领域。因为是小字辈,会议没有安排他发言。他所从事的激光制冷领域是由他原来在麻省理工学院的导师介绍的。因为大会上的介绍比较过于抽象,康奈尔在一次吃饭时间坐下来在一张餐巾纸上画了个简图,专门给笔者开了个小灶。
在通常情况下,热量是通过传导、对流、蒸发和辐射等手段传输。让一个物体降温便需要将其所含有的热量传输出来。当物体的温度降到一定程度,这些手段都会逐渐失去效用。对流是流体内部的热量传递,与降温关系不大。低温的物体几乎没有热辐射。蒸发虽然总是存在的,但蒸发在带走热量的同时会失去一部分已经降温的材料,因此不能作为降温的主要手段。传导更是不可能:在极低温的情况下,实验材料的温度比外围容器要低得多。传导只能导致其温度升高,因此需要避免或减小。在这样的条件下,激光制冷几乎成为唯一的途径。
激光是因为频率同一而聚集性能非常好的光束,可以将强大的能量集中在很小的地方。因此激光在工业界有很多应用途径,甚至可以制成武器摧毁敌方的导弹等目标。正因为如此,用激光来制冷似乎是南辕北辙。然而,激光制冷的原理也正在于激光传输能量的定向性和可调性——激光可以提供大量步调一致、特定频率的光子。
早先,玻尔 (Niels Bohr) 在构造其原子结构的经典模型时曾假设原子只能吸收和发射特定频率的光。爱因斯坦更进了一步,认为那是原子与带有特定能量的单个光子相互作用的结果,并据此奠定了量子世界中原子与光相互作用的机理——原子通过不断地吸收和发射光子与周围的电磁环境达到热平衡。但能够与原子实现相互作用的只是那些频率与原子能级跃迁共振的光子。也就是说,光子的频率必须与原子的两个状态之间能量差相同时才能被原子吸收或发射,其它频率的光子则只能与该原子「擦肩而过」。
不过原子本身的热运动是随机的。如果光子来自一个方向,有的原子会被迎面相撞,有点则就被从后面推上一把。这样有的被减速,有的则被加速,并不能达到整体的降温效果——除非原子只能吸收迎面来的光子而对后面追上来的光子置之不理。
恰巧的是,这也是能够做得到的。
实际上,原子本身的速度和光子的频率都有一定的分布,它们之间并不是绝对的是否能吸收,而是吸收的可能性大小不同。通过微调激光的频率,可以做到原子吸收迎面而来的光子的几率远大于吸收后面追来的光子的几率。这样,原子每吸收光子一次,便因为撞击而减速一次。长期积累,其速度越来越小,也就是温度越来越低。
康奈尔当时正在设计这样的一个装置。他准备用电磁场将大量铷原子以稀薄气体状态悬浮在空中,不与任何容器接触。然后用多束激光同时以计算好的角度照射,在各个方向都有光子去撞击中间的原子。这样,一个个原子的热运动速度被逐渐减慢。他的设计还可以在最后时刻「打开盖子」,让比较热的原子蒸发出去,这样剩下的原子便都是极低温的气体,正是实现玻爱凝聚的理想材料。
会议的最后一天是自由发言,与会者济济一堂,争先谈论会议中提出的一些热门话题。笔者注意到旁边的康奈尔坐立不安。他一会儿在纸上写着画着,一会儿低头默默地念念有词,跃跃欲试地想举手发言。但最后还是放弃了。通过激光制冷原子气体来达到玻爱凝聚的想法也没有人在那会上认真提及。
SAIXIANSHENG
人生变故
在1995年,康奈尔的大名上了新闻,他设计的实验获得了巨大成功,把铷原子冷却到了170纳度以下。那是人类所知的世界里从来没有达到过的低温,距离绝对零度只有1.7/10000000度的距离。在那个温度以下,他们观测到处于零动量附近的铷原子数目突然大幅增加,形成一个醒目的团体——正是人们等待了70来年的波爱凝聚体。当时,康奈尔年仅33岁,正值新婚燕尔。
也许是与玻色-爱因斯坦凝聚态形成相关的最著名的图像,该图显示了三维连续快照,其中铷原子从密度较低的红色、黄色和绿色区域凝结成非常密集的蓝色到白色区域。图源:NIST/JILA/CU-Boulder
这一成就是如此辉煌,仅仅6年以后,康奈尔和他的合作者卡尔·威曼 (Carl Wieman) 以及另一位同期实现了波爱凝聚的物理学家就荣获了2001年的诺贝尔物理学奖。 (在这之前,朱棣文Steven Chu和另外两位物理学家已经于1997年因为在激光制冷技术上的贡献获得了诺贝尔奖。)
2001年12月10日,康奈尔从瑞典国王卡尔十六世·古斯塔夫手中接过诺贝尔奖。
手术后,康奈尔在昏迷中挣扎了两个半星期,才渐渐苏醒。他几乎无法自主呼吸,不得不依赖气管切开术来维持生命。他的身体无法自行坐起,但他却凭借着坚强的意志和乐观的精神,一步一步踏上了康复的征程。
诺贝尔奖得主Theodor W. Hänsch在慕尼黑大学的办公室外展示的一张合影, 四位诺贝尔物理学得主 从左至右为:Steven Chu,Eric Cornell,Charles Townes和 Theodor W. Hänsch 。
同时,物理学界对玻爱凝聚的研究也在不断地取得进展。凝聚体不再局限于康奈尔的那少得可怜的铷原子气体。科学家们陆续用多种不同的原子气体实现了玻爱凝聚。1999年,光子的玻爱凝聚——玻色最初研究的粒子——也被观察到。2003年又实现了分子气体的波爱凝聚。其后不久,在由费米子构成的气体里也观测到了( 通过「配对」机制实现的) 波爱凝聚。这一历史悠久的理论预测已经成为物理世界的普遍现实。‘
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