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物理科普文章 第一篇
2011年诺贝尔物理奖--超新星与暗能量的发现
今年的诺贝尔物理奖授予了三位在发现宇宙加速膨胀的研究中做出杰出贡献的学者：Perlmutter, Schmidt和Riess. 应该说，由于这项工作无可争辩的巨大重要性，几年来他们一直是获奖的热门人选。但是，导致宇宙加速膨胀的暗能量是什么仍是一个未解决的问题，而相关的许多 理论和观测还处在研究的前沿，存在许多疑问和争论，诺贝尔奖评委会素有稳重、保守的传统，所以我原以为他们还要再过若干年才会获奖。因此，作为一名宇宙学 研究者，我为他们今年获得这项殊荣感到非常高兴。
Perlmutter, Schmidt 和 Riess 是因为对超新星的研究而获奖的。超新星的概念是1934年由茨维基和巴德提出的。他们猜测当一些恒星寿命结束时将会塌缩，然后发生爆炸，其亮度可达到十亿 甚至百亿个太阳的亮度，巴德和茨维基也观测到了一些超新星。后来发现，其实有两种不同的超新星， 一种是茨维基最早提出的核塌缩超新星，另一种其爆炸机理不同，现在一般认为是白矮星（质量比较低的恒星比如太阳在燃尽核燃料后就会变成白矮星）从其伴星中 吸积物质，到一定程度后发生核爆炸。有趣的是，茨维基和巴德最早观测到的超新星都是后面这种他们所未曾想到过的类型，被称为Ia型超新星。

[图1：超新星遗迹Cas A.]
由于超新星很亮，可以在宇宙中很远的地方看到，因此可用来研究宇宙学。特别是，白矮星有一个质量上限，称为钱德拉塞卡质量，大约是1.4个太阳质 量，白矮星发生超新星爆炸时大多都比较接近这个质量。既然这时白矮星的质量都差不多，就有理由认为，其爆炸时的亮度可能也差不多。这样，Ia型超新星就有 可能作为“标准烛光”来使用：假定所有超新星的“绝对亮度”也就是本身的亮度相等，那么根据观测到的一颗Ia超新星的视亮度，就可以推测它到我们的距离。 另一方面，我们还可以观测到这些超新星的光谱，从中测出超新星的“红移”。比如，一条原来在615纳米的谱线，经过红移后变为1230纳米，那么我们就说 这个超新星的红移z=1,因为观测到的谱线长度是原来的(1+z)倍。如果我们把测到的超新星的红移和距离一一对应起来，我们就可以画出所谓哈勃图，不同 的宇宙学模型的哈勃图是不一样的，因此用这种办法，可以测出宇宙到底是什么样的。

[图2：这是Perlmutter 等人1998年发表的超新星哈勃图，横坐标是红移，上面一图的纵坐标是星等（越暗星等越大），几条曲线是不同宇宙学理论的预言。下面图则是与理论的偏离。]
尽管上面叙述的这种办法原则上讲很简单，但实际做起来并不容易。首先是要发现超新星。尽管我们上面说超新星非常亮，但放在浩瀚的宇宙之中，也只是微 弱的一点。下面的图演示了一个超新星的发现图像：你可以看到，它非常微弱而不起眼，经过两次放大之后也并不容易在图像上看出来。发现它的办法是，把两个同 一天区但在不同时刻拍摄的照片叠放在一起，用后一张减去前一张，从二者之差发现可能变亮的候选目标。这样找到的候选者还不都是超新星，还有一些别的东西， 比如星系中心的活动星系核有时会变亮，太阳系中的小行星有时会正好飞到这里，等等。在进一步观测排除这些其它东西后，才能找到超新星。这进一步的观测包括 用多次不同时刻的观测得到超新星亮度随时间变化的曲线（光变曲线），以及拍摄超新星的光谱以测定红移。光谱观测比照相观测更难，往往需要更大的望远镜，而 且需要在超新星最终变暗以前进行。

[图3：SCP组演示如何通过比较法找超新星的图]
1980年代中期，一些丹麦的天文学家开始试图寻找这些宇宙中的遥远超新星，经过长达2年的搜索，他们才找到了第1颗超新星，后来他们又发现了一 颗，但终因发现的过少而放弃了。由于很难发现超新星，再加上对超新星是否真是“标准烛光”持怀疑态度，许多天文学家当时对这类研究抱悲观态度。
也是在这一时期，劳伦斯伯克利实验室(LBL)的一组物理学家开始对搜寻超新星产生了兴趣。这一小组的传奇的创始人Luis Alvarez兴趣广泛。他本人因为高能物理实验（气泡室）方面的工作获得诺贝尔奖，但他更为公众所知是因为提出小行星撞击地球导致恐龙灭绝的理论。这一 小组中的Carl Pennypacker 和Rich Muller开始进行超新星研究，发展了一套在图像中自动搜索超新星候选者的软件。他们利用澳大利亚的3.9米望远镜进行了一段时间的搜寻，但是一开始他 们失败了，并未找到任何超新星。后来，Pennypacker 转而从事科普，而Rich Muller 本人受Alvarez关于恐龙灭绝研究的影响，转向研究气候变化和全球变暖问题——其实他关于超新星搜寻的工作也是与寻找“复仇之星”（Nemesis) 相结合的。古生物学家发现历史上的生物大规模灭绝存在周期性，Muller 认为可能是由于太阳有一颗红矮星或褐矮星伴星即复仇之星，当它沿周期轨道接近太阳时，其对小行星轨道的扰动就容易导致小行星撞击地球。 Muller 的弟子Perlmutter的研究一开始就是寻找这颗复仇之星。后来，Perlmutter接掌了超新星项目。有趣的是，尽管Rich Muller本人在宇宙学领域工作的时间不长就离开了，但他有两个弟子后来因为宇宙学研究得到了诺贝尔奖：研究CMB的George Smoot 2006年获奖，Perlmutter今年获奖。
Perlmutter 接掌这项工作正是在项目最困难的时期：他们未取得任何成果，连一颗超新星都没能发现，而与澳大利亚人的合作也到期结束了。这一项目是否还能进行下去？伯克 利以及美国的资助机构在认真的评估后决定继续予以资助。Perlmutter工作专注，被认为是可以挽救这一项目的人选。他们还是得到了经费，造了一台 CCD相机安放在西班牙加纳利群岛的一台望远镜上，作为交换他们可以使用这一望远镜进行超新星搜索。Perlmutter也很努力，为了对发现的候选超新 星进行后续观测，Perlmutter 会给全世界各处天文台的望远镜打电话，恳求正在使用望远镜的人帮助他进行观测。
早期超新星研究的一大困难在于如何保证找到超新星并拍摄到其光谱。这里除了技术上的困难外，还有获得望远镜观测时间的困难。现代的天文望远镜都是由 许多天文学家共用的。一位或一组天文学家要用望远镜，需要写一份建议书，说明自己的科学目标和观测方法，经过同行评议后，由望远镜时间分配委员会根据评议 结果决定分配多少时间。这样，大型望远镜的观测时间表一般早就提前一年或半年定下来了。而在发现超新星之前，人们很难预先申请到这些观测时间，发现超新星 后往往只好临时借用别人的观测时间进行后续观测，这很难保证获得大量数据。Perlmutter 发展了一套“批处理”的方法：他们每隔一个月，用观测条件最好的无月夜拍摄大片的星空，并立即与以往的观测进行比较，找出可能的超新星候选者，这样第2天 他们就可以获得一批超新星候选者样本，然后再用Keck 10米望远镜等大望远镜进行后续光谱观测。恰好超新星的光变周期是几个月，因此这一方法非常有效。由于一次可以得到多个超新星候选者，也就可以申请到大望 远镜的观测时间。用这种办法，Perlmutter领导的研究小组（称为超新星宇宙学计划Supernova Cosmology Project, SCP)开始发现大量的超新星。
伯克利的SCP小组由物理学家组成，他们一开始对于超新星天文学中的许多困难并不完全了解，“无知者无畏”可能是他们在大多数天文学家对超新星观测 感到悲观时勇于进行这项研究的部分原因。然而，随着他们逐渐接近成功，天文学家们也开始看到希望并准备参加竞争。哈佛大学的Bob Kirshner （Adam Riess的导师）等人也想进行超新星观测，但问题是，SCP小组曾花费几年时间才研制出自动化超新星搜寻软件，别人能否在短期内研制出这样的软件呢？如 果没有，要进行竞争是困难的。Brian Schmidt 只用了一个月就开发出了这样一套软件，他没有象SCP小组那样完全新写一套软件，而是通过组合一些现成的天文软件而实现了这一目标。这样，由 Kirshner, Schmidt, Riess, Suntzeff, Filippenko 等人组成的High-z 小组以出人意料的高速加入了竞争的行列。
现在找超新星的问题解决了，但Ia型超新星是否真是标准烛光呢？遗憾的是，并非完全如此。渐渐地人们发现Ia型彼此并非完全相同，有的超新星光度的 变化速度更快一些，有些则更慢一些。不过，Mark Philips 通过研究发现，那些绝对亮度更大的超新星，其变化速度也往往更慢。因此利用光变曲线可以修正超新星绝对亮度的变化。
此外，对于实际观测的超新星，还需要考虑好几个其它问题。星际空间存在着尘埃，这些尘埃会吸收光子，使超新星变暗。好在这一效应还是可以修正补偿 的。尘埃吸收除了使目标变暗外，还会更多吸收蓝光而导致目标变红，因此根据其变红的程度进行修正。问题是，每颗超新星其本身的颜色其实也并不完全相同。最 后，即使本身光谱完全相同的超新星，当它位于不同红移时，用给定波长的滤光片组进行观测时，得到的颜色也是不一样的，还需要对这一效应进行改正。好在这几 个效应虽然复杂，但有规律可循。哈佛大学的研究生Adam Riess 发展了一套数学方法，他发现，利用多个滤光片拍摄的光变曲线数据，经过改正后，Ia型超新星还是可以作为近似的标准烛光的，因此用Ia型超新星进行宇宙学 研究是有希望的。实际上，即使到了今天，人们也还是不完全理解为什么Ia型超新星经过修正后可以作为这么好的标准烛光。人们很容易想到各种因素，使得Ia 型超新星偏离标准烛光，这也是一开始很多天文学家对超新星宇宙学感到悲观的原因。然而数据显示Ia型超新星经过修正后确实还是不错的标准烛光，这是大自然 给我们的一个惊喜。当然，研究者们仍在探究这其中的原因。
SCP和High-z这两个小组的竞争非常激烈。到了1997年下半年，他们开始发现，高红移的超新星比他们原来预期的要暗。根据哈勃图，这表明宇 宙的膨胀在加速而不是减速。这是否是由于观测或数据处理上的错误造成的呢？或者，尘埃吸收等因素考虑得不够周全？经过反复检查，1998年1月，两个小组 几乎同时公布了自己的观测结果，SCP组有42颗超新星数据，High-z 组只有16颗超新星数据，但每颗的误差要小一些。总之，他们一致的结论是宇宙的膨胀在加速。这一结果轰动了世界。
按照广义相对论理论，如果宇宙由一般的“物质”（包括所谓“暗物质”）组成，其膨胀会逐渐减速，这是万有引力的作用。那么如何解释观测到的宇宙膨胀 加速呢？目前主流的解释是引入“暗能量”的概念。暗能量(dark energy)一词是美国宇宙学家Mike Turner 引入的。它实际上也是物质的一种形式，但具有很奇特的性质。比如，它的有效“压强”小于0，这些压强项使时空的弯曲与一般物质造成的时空弯曲相反，因此可 以理解成是与万有引力相对的“斥力”，可以导致宇宙加速膨胀。根据现在对宇宙微波背景辐射、超新星等实验数据的拟合表明，宇宙中大约百分之七十五左右是暗 能量，此外还有百分之二十一左右是不发光的暗物质，而我们熟悉的普通物质仅占百分之四多一点。

[图4：宇宙的组分]
也有人认为不需要引入新的物质形式“暗能量”，而是万有引力的规律与我们一般所假定的广义相对论理论有所不同造成。不过，这种修改引力理论往往比暗能量理论更为复杂。广义地说，这也可以算暗能量模型。
还有少数学者怀疑超新星的观测或数据分析有错误，宇宙并未加速膨胀。但是，13年来人们又观测了许多超新星，目前总数有几百颗，对其分析也更加深 入，虽然还存在很多疑点（比如Ia型超新星爆炸的机理到底是什么？），但数据本身经过许多不同的天文学家用不同方法的分析，迄今并未发现大问题。其次，有 人曾提出Ia型超新星的光在传播中会由于与一种被称为“轴子”的假想粒子的相互作用而变暗，导致其被误认为是宇宙加速膨胀。但是，这种假设与观测的拟合并 不好。特别是，有的高红移超新星测量结果表明，宇宙的膨胀并非一直加速，而是先减速再加速，这用上述假说不容易解释，而却正是暗能量理论的预言。
暗能量的存在也有一些其它方面的证据。例如，早在SCP和High-z 小组公布他们的超新星观测之前，有一些科学家（例如Turner & Krauss, Ostriker & Steinhardt等）根据宇宙年龄、物质密度和功率谱等因素考虑，就认为宇宙可能含有暗能量。此后，宇宙微波背景辐射、重子声波振荡等其它观测也支持 宇宙中存在暗能量的理论。目前，也有少部分观测，例如强引力透镜的数量，与根据暗能量理论做出的预言符合得不好，但这些观测目前其可靠性本身是比较低的， 因此暗能量是为大多数人所接收的模型。
宇宙的加速膨胀是一个惊人的重大发现，因此其发现者获得诺贝尔奖也是意料之中的。但是，暗能量的本质仍是一个还未解决的问题。对这一问题的研究，也 很可能是未来基础物理学发展的突破口。国外有许多计划中的实验项目，而我国目前除了提出多种暗能量的理论模型外，一些天文学家也结合我国实际，提出了一些 未来的暗能量实验观测计划。例如，在南极冰穹A(那里的观测条件好）建造大型光学望远镜，在我国天宫空间站上装设光学望远镜，在南美建造大型的光谱巡天望 远镜等，以及参与一些国外重大实验项目的合作。笔者本人目前也正在推动开展“天籁计划”研究，这是一项在国内地面进行的实验，研制专用射电望远镜阵列进行 巡天观测，利用宇宙大尺度结构中的重子声波振荡特征精密研究暗能量的性质。希望未来我国在这一方面的研究中也能做出重大的发现。
从今年获诺贝尔物理奖的研究工作中，我们能受到什么启发呢？我觉得，Schmidt 和 Riess 等人能够凭借自己的研究积累，抓住战机，在激烈的竞争中一举冲入研究的最前沿，其能力和敏锐令人钦佩。但更值得思索和借鉴的是Perlmutter等人的 顽强坚持。作为研究者，要有信心和勇气在困难时坚持下去，正是这种信心和勇气，使Perlmutter等人在人们大多对超新星宇宙学感到悲观时能够坚持下 去。而美国的资助机构能够宽容失败，看出这一项目的科学价值和团队人员的能力，保持对这一项目的资助，也是非常有眼光的。有重大创新的科研常常有很大的风 险，很难保证完全实现计划的成果。这时应该怎么办？我国现在口头上也常常说支持探索、宽容失败，但实际上有风险的研究计划很难得到支持，更不用提对失败的 理解和宽容了。这恐怕是我们所应该深思的。

物理科普文章 第二篇
和圆一样的三角形
数学之所以重要，不仅因为它是科学理论的基石，还因为数学在日常生活、工业制造甚至是艺术品审美上都用着非常广泛的应用和体现。如果不知道一些基本的数学道理，就是被科学武装到牙齿的 NASA 工程师也会犯一些低级错误。比如今天的故事主角——勒洛三角形。这个和圆是一家的多边形，不仅性质奇特，还是制造业的宠儿。它是如何渗透到广大劳动人民身边的？死理性派告诉你。

不识勒洛三角形，NASA都要犯错误
历史上，一枚美国火箭的发射流程是这样的：先在工厂完成推进器的组装，然后用驳船运至佛罗里达的肯尼迪航天中心进行整体吊装，最后在发射台上点火发射。然而，一些 NASA 的工程师发现一个问题：在运抵总装车间之前，推进器需要横躺着跋涉数千公里（例如在加利福尼亚组装的土星 -5 的第二级推进器甚至需要绕道巴拿马运河），但在这一过程中，由于其本身的巨大重量，推进器有可能会发生变形。对于液体燃料火箭来说，轻微的变形也可能导致燃料泄漏造成发射事故。为了检验火箭截面是否是正圆， NASA 的技术人员们提出了一个标准，每隔 60° 测量一次火箭的直径（该方向上界面内两点距离的最大值），如果 3 次测得的直径都相等，那火箭的截面即使不是标准的圆形也差不多了。
然而这个方案真的靠谱么？很不幸，一种叫做定宽曲线的曲线族粉碎了他们的幻想。定宽曲线是这样的一种几何图形，它们在任何方向上的直径（或称宽度）都是定值。当然，圆也是一种定宽曲线，但是定宽曲线可远远不止这么一种，其中最具有代表性的当属勒洛三角形。

勒洛三角形
像上图这样把 3 个等半径的圆重合起来，两两互相经过圆心， 3 个圆相交的部分就是勒洛三角形，或者其发现者所称的“曲边三角形”。 如果不幸碰到这样的一条曲线， NASA 的工作人员无论怎么测直径，得到的结果都会是一样的。
勒洛三角形和它的一干定宽曲线兄弟们都具有许多有趣的特性，其中最重要的当然就是它们的定宽性。使用截面是定宽曲线的滚木来搬运东西，不会发生上下抖动。实际上这样的装置在许多科技馆都能看到，下图就是柏林一家博物馆内的定宽曲线滚木。另外定宽曲线还有一个有趣的性质，就是宽度相等的定宽曲线有相同的周长，所以下图中的圆形滚木转过一周的时候，旁边的勒洛三角形滚木也恰好转过一周。

制造工艺上的广泛应用
应用上面滚木的原理，可以制造出许多有趣的小玩意。例如我国劳动人民就充分发挥聪明才智制造了一辆利用等宽曲线轮的 角轮自行车 ，据说已经成功申请专利了。

有人会说“角轮自行车”只是观赏性大于实用性的玩具，确实如此。那不妨让我们再来看看等宽曲线在汽车工业上的应用。当然，汽车制造商们不会用等宽曲线制造轮子，他们把等宽曲线藏在了汽车更核心的部分——发动机里。下图就是马自达公司的转子发动机截面图。其实转子发动机并不是什么新鲜发明，早在 20 世纪 50 年代德国工程师汪克尔就制造出了第一台转子发动机的样机，因此这种发动机又叫做汪克尔发动机。

熟悉汽车的同学可能已经注意到了这种发动机与其他发动机的不同之处，它没有常见的活塞和曲杆。没错，因为对于转子发动机来说，这些麻烦的东西已经完全不需要了，取而代之的是一个转子。转子的截面是面积最小的等宽曲线勒洛三角形，无论转子转到什么角度，都严格将汽缸分成三部分，同时进行进气、压缩、点火与排气的周期，这样当转子转过一周时可以做功三次，效率远高于旋转两周才做工一次的传统四冲程活塞发动机。与传统四冲程发动机相比，转子发动机具有体积更小、振动与噪音更低、结构简单、故障率低等优点。但转子发动机对材料和工艺的要求也更高，同时提升功率较为困难，所以目前市场上，采用转子发动机的汽车公司还并不多。
由于等宽性，等宽曲线还可以在一个正方形内贴着边沿滚动。 1914 年，一位注意到这一特性的美国工程师据此发明了方孔钻头。方孔钻头的截面是一个勒洛三角形，为使钻头更锋利，它被削去了一部分的。在工作时钻头的中心随着钻头的转动同时绕轴做圆周运动（事实上并不是严格的圆周运动），就可以钻出四角略圆的正方形。

方孔钻头分解图，中间的齿轮组是使钻头轴转动的机构
在上面的段落里，勒洛三角形大出风头，但是等宽曲线家族可不是只有这么一位成员。在其他地方我们也能看见等宽曲线的身影，许多国家的硬币就喜欢采用等宽曲线作为外形轮廓，例如英国的 20 便士与 50 便士银币采用的就是由 7 条弧组成的定宽曲线。除此之外，在不少艺术品中也常常能看到各种等宽曲线的身影，这主要是为了提高观赏价值了。

物理科普文章 第三篇
神奇的“金属橡胶
你能否想象，有一种材料既可以像橡胶一样弯曲和拉伸，又可 以像金属一样导电？这就是利用纳米技术制造出来的新材料———金属橡胶。“金属橡胶”的出现是材料学上的一次革命，也是纳米技术在新材料领域的成功应用。 有了它，未来的飞机可以拥有像鸟儿一样可扇动的翅膀；有了它，未来的航空座椅将舒适无比；有了它，甚至连电视都可以做得又平又软，还能折叠起来放在口袋 里……
人类一直幻想能够拥有像鸟类一样的翅膀。从人类第一次绑上羽毛模仿鸟类飞行到制造出空中巨无霸波音747，这种追求从来没有停止过。但即使在科技已经高度发达的今天，人类仍然无法完全模仿鸟类的飞行。
科学家对鸟类研究后发现，在飞行中，鸟类能根据飞行的需要，随时改变翅膀的形状，以适应不同的飞行状态，这种飞行不仅更经济，而且更有效、更安全。而制造可以变换形状的翅膀，就需要一种既具备金属的导电特性，又具备橡胶伸缩自如特点的新材料。
如今，金属橡胶的问世，给人类制造出像鸟类翅膀一样的“智能飞行翼”带来了新的曙光。
柔韧性能超群
制造了金属橡胶的能人，是来自美国弗吉尼亚州的一个科学小组，这个小组的带头人就是材料学和工程学专家理查德•克劳斯教授。该小组用了整整6年的时间，终于使金属橡胶变成了现实。
金属橡胶的颜色呈棕褐色，外表有点像普通的塑料包装壳，但在这种普通外表的背后，则蕴含着一些令人吃惊的物理特性：它可以在外力的作用下拉伸2到3倍， 随后恢复原状；被拉伸时，这种材料仍能够保持其金属特征，具有导电性；它可以像金属一样百毒不侵，无论将其放入航空燃料还是丙酮液体里，它都能完好无损地 不被腐蚀，也不会发生结构上或化学上的降解；它可以在华氏700度的高温下不燃烧，也可以在华氏-167度的低温下不变性，其结构十分稳定。
制造工艺复杂
制造这种金属橡胶可不是一件容易的事情。科学家们采用了一种全新的纳米技术工艺流程，他们称之为“静电分子自我组装”工艺。科学家形容，这种生产工艺就像人类骨骼的形成一样，通过单个分子在物质表面层叠而成。
为了制造金属橡胶，科学家们首先要找到一种可以使分子凝聚的基质，一般使用塑料或玻璃。这些基质被带上正电荷或负电荷后，轮流放入两种不同电荷的溶剂 中，一种溶剂为带正电的塑料分子，另一种溶剂为带负电的塑料分子。如果基质带正电，则先同带负电的塑料分子溶剂接触，反之则与带正电的塑料分子产生反应。 塑料分子与基质接触后，就在基质表面形成一个分子厚度的分子层。经过在两种溶液中反复反应，分子层不断重叠，最终形成的这种新型材料就是金属橡胶。
科学家将这种制造过程形象地比喻成做蛋糕，一层一层地重叠，最终形成了一个漂亮的生日礼物。
未来应用广泛
按照目前的工艺水平，科学家每天可以制造出两英尺见方、7毫米厚的金属橡胶。科学家相信，随着工艺水平的不断进步，将来，金属橡胶的生产会像印刷报纸那样简单容易，适合各种用途的金属橡胶产品也将会被迅速生产出来。
金属橡胶最令人激动的应用前景，莫过于在未来航空领域的广泛使用。有了这种新型材料，人类制造出像鸟类那样“智能飞行翼”的梦想就将得以实现。目前，这种材料已经引起洛克希德－马丁公司的关注，该公司的科学家正在努力开发这种材料用于航空领域的可能性。
此外，这种材料还可以在生物医学产品如人造肌肉等方面得到迅速应用。利用这种新材料的特性，也可以设计出新型航空座椅、新型汽车，甚至连电视都可以设计成可以折叠的、放在口袋携带的超便携款式。

物理科普文章 第四篇
最冷的，最凝聚
这话说起来有点酷：距离我办公桌数百米，在Eric Cornell教授的实验室里，存在着可能是这个星球上甚至这个宇宙中最寒冷的地方。那里面的物质拥有一种神奇的状态：玻色-爱因斯坦凝聚。
这一切要从费米子和玻色子说起——
大家知道，物质是由原子构成的，原子是由质子、中子、电子构成的，而质子、中子等又是由夸克构成的，另外还有传递相互作用的光子、胶子等等。从原 子、质子、中子到夸克、光子、胶子，这些都是微观粒子。根据它们的物理性质不同，可以将这些微观粒子分成不同的类别，比如：是否为目前认为不能再向下分的 基本粒子、是否带有电荷、是否带有静止质量，等等。

中子和质子组成的原子核，再加上核外的电子云就构成了原子的结构

依据微观粒子统计性质的不同，物理学家们把微观粒子划分为两类：费米子和玻色子。费米子服从费米-狄拉克统计，玻色子则服从玻色-爱因斯坦统计 [1]，简单一点说，这两种统计的不同意味着在不同微观状态之间分布的时候，占据状态方法的不同。打个比方，如果同一种微观粒子聚众看电影，对于费米子来 说，两个人不能同时坐在同一位置上，这就是有名的“泡利不相容”原理，而对于玻色子来说，则可以允许两个甚至更多个人同时坐于同一个位置——虽然位子足够 多时，这种情况也很少发生。
不可分辨的同一种粒子
抱歉，说起来，前边这个“电影院比喻”其实还是有失准确——
因为，当我们面对电影院里的人，还是可以清晰分辨张三和李四的不同。但当我们面对微观的粒子，同一种微观粒子之间却是不能够分辨的，一个粒子与另外 一个粒子并无任何不同，所有人都失去了个性。我们可以说“两个费米子不能坐在同一个位置上，两个玻色子可以坐在同一个位置上”，但是并不能分清楚到底是哪 个微观粒子坐在这个位置上。这个就是一般统计物理里面说的“全同的量子粒子不可分辨”的概念。

1925年的玻色（来自维基百科相关页面）。萨特延德拉·纳特·玻色（Satyendra Nath Bose，1894年1月1日－1974年2月4日）是印度的一位物理学家，他最先提出了微观全同粒子不可分辨的概念。

这个概念的历史并不长。直到100年前，大家还认为微观粒子可以分辨的，在不同状态上的分布满足“麦克斯韦-玻尔兹曼分布”。这是一种经典统计学的 分布规律，如果说不同状态对应的能量是相当于不同档次的电影票价的话，那么最后每种座位上微观粒子的数量只和微观粒子所拥有的平均财富（对应系统的温度） 和每种座位的票价（每个状态的能量）有关系。但是对于费米子和玻色子来说，分布规律还要和粒子的总数有关系。仔细来说，和每个粒子进入系统都有的一个跟现 有的粒子数目相关的额外入场费用或者是最低消费额度有关系（统计物理里面是体系的化学能）。在使用光子的概念来解释黑体辐射等实验的时候，人们逐渐发现经 典的麦克斯韦-玻尔兹曼统计在研究微观粒子的时候并不准确。
玻色-爱因斯坦凝聚的提出
最先提出“微观全同粒子不可分辨”概念的人是印度物理学家萨特延德拉·纳特·玻色。1924年，年轻帅气的玻色写了一篇题为《普朗克定律和光量子假说（Planck's Law and the Hypothesis of Light Quanta）》 的论文，提出可以通过这一概念来完美解释普朗克总结的黑体辐射的实验发现。但是，他这篇文章并没有得到欧洲一些学术期刊的重视。遭到挫折的玻色将他的论文 寄给身在德国的爱因斯坦，爱因斯坦意识到了玻色这篇论文的重要性，亲自将它翻译成德语，然后以玻色的名义发表在德国著名的《德国物理学刊》上。通过爱因斯 坦的帮助，玻色的研究成果得以发表并获得了人们的关注。

1923年的爱因斯坦，摄于巴塞罗那

1925年，爱因斯坦将玻色关于“没有静止质量的光子”的统计方法推广到有质量的原子体系中，预言了一种新的物质状态的存在。根据爱因斯坦的预言， 在极低的温度下，由服从玻色-爱因斯坦统计的原子构成的气体可能会发生神奇的转变，处于最低的能量状态上的原子数目会随着温度的降低逐渐增大，直到几乎所 有的原子都处于这一个能量状态上，而整体呈现出一个量子状态。这种状态后来被称为“玻色-爱因斯坦凝聚（Bose-Einstein Condensation，BEC）”，是很多实验物理学家致力实现的预言。

空间中粒子的分布：左图，可分辨粒子可以看成一个个单独的波包；右图，不可分辨的同一种粒子互相叠加起来，我们不能区分单个的粒子，它们形成一个整体的分布。

根据量子力学的知识，微观粒子具有波粒二象性，原子是粒子也是波。一个原子在空间中的存在可以用波函数来表示，如上面左图显示的那样，每一个粒子的 准确位置都难以判定，只是在某一个位置附近有一定的分布，分布的大小对应于原子的德布罗意波长。原子的温度越低，德布罗意波长越大。如果原子之间的距离远 大于于德布罗意波长，那么就可以把原子看成是一个个的点；如果距离小于德布罗意波长，那么原子的分布就会互相重叠（左图）。对于不可分辨的同一种粒子来 说，互相重叠的分布使得他们表现出一个整体的量子态，如果粒子是玻色子，它们之间倾向于处于同一个状态，整个系统就会形成“玻色-爱因斯坦凝聚”。
因此，对于给定的玻色原子体系，要形成这种凝聚需要一定体积里面含有的原子数比较大（这样原子间的距离比较小），以及，温度足够低（这样德布罗意波长比较大）。
低温和超流
20世纪30年代，前苏联物理学家彼得·卡皮查（Пётр Леонидович Капица，1894年7月9日－1984年4月8日）开始低温物理学的研究。1934年他开发了能制造大量液氦的装置。1937年的时候，他发现在将 液氦的温度降低到2.17K（-270.98摄氏度）之下的时候，液氦会变成一种没有摩擦的神奇液体，称做超流体。1978年，由于他“在低温物理学领域 基本的发明和发现”[3]，这位低温物理学的先驱和发现宇宙背景辐射的彭齐亚斯和威尔逊分享了诺贝尔物理奖。

超流体有着非常有趣的性质。超流动性使得悬挂容器内的超流体在重力作用下沿着容器的壁到容器外来

卡皮查实现的是氦4的超流（氦4即一个氦原子核里含有两个质子和两个中子），里面的氦原子是一种玻色子，因此，超流体的发现可以说在一定程度上验证 了玻色-爱因斯坦凝聚的正确性。然而，因为氦本来就处于液体的状态，原子和原子之间有着比较大的相互作用力，超流并不单纯是由于玻色统计导致的。如果想要 严格验证爱因斯坦的预测，我们需要在气体体系里面实现玻色-爱因斯坦凝聚才行。前面说过，这需要将系统的温度将到非常低，因此需要更先进的制冷技术；同时 还需要有大量的有一定密度并处于气体状态的原子，原子数太少则很难形成凝聚，原子密度太大则有可能形成液体或者固体。
这一切，直到20世纪90年代才得以实现。
激光冷却-低于千分之一度的低温
1997年，美国斯坦福大学的朱棣文教授（现任美国能源部部长）、法国巴黎高等师范学院的Claude Cohen-Tannoudji教授和美国国家标准局的William D. Phillips教授因为他们利用激光冷却并束缚原子的工作分享了诺贝尔物理学奖。激光冷却使得我们能够获得更低温度的原子气体，从而制造更精确的冷原子 钟。1985年的时候，朱棣文等人首先利用这个技术将钠的原子气体冷却到了240微开尔文的温度（仅比绝对零度高出一百万分之二百四十度）[4]。
我们一般用的温度标准是摄氏度，一个大气压下，水结冰的温度是0摄氏度，水沸腾的温度是100摄氏度。很多情况下，物理学里面用的是绝对温度，单位 为开尔文（K），一个开尔文和一摄氏度的单位是一样的。绝对零度（0开尔文）是-273.15摄氏度，室温相当于大约300开尔文。对于空气里面的绝大多 数成分来说（氧气、氮气、二氧化碳等等），温度的降低会使得它们变成液体，然后有的还会随着温度的继续降低变成固体，比如说，氧气在90.20开尔文（零 下182.95摄氏度）的时候变成液体，在54.36开尔文（零下218.79摄氏度）的时候变成固体。空气里的气体分子是在不断地到处运动并且互相碰撞 的，空气的温度和运动速度是联系起来的。我们周围的空气分子运动速度在数百米每秒的样子，如果降低空气的温度，分子的运动速度也会降低，而如果能够将一个 个的空气分子速度减下来，空气的温度也就降低了。而激光冷却就是通过激光来减慢原子的运动速度，从而使得原子气体的温度变小。

激光器发出的光子在钠原子上“散射”，同时给钠原子一个反冲的作用。在这个作用下，原来向右运动的钠原子速度会变慢。

大家可以想象一个战争的场面。失控的战车冲向战壕，战壕里的战士向战车不断开枪，子弹打由战车弹向四面八方。如果仔细看战车的速度，我们会发现由于 子弹的撞击，战车的速度会越来越小，利用激光冷却原子和这个过程相似。如上图显示的，激光器发出的光子就像子弹一样，如果光子在钠原子上发生“散射”，那 么向右运动的钠原子在激光的作用下速度会越来越慢。仔细说来，光子在钠原子上发生的并不是散射，而是光子将钠原子的电子激发到激发态，然后电子跃迁回来的 时候会放出一个方向不确定的光子。在一段时间内，钠原子吸收的光子有特定方向，而放出的却没有，所以原子会被光束减速。这样，原子的动能有个和光子的能量 相关的不确定性，这也给出了激光冷却能够得到的最低温度。

高压钠灯的发射谱线

为了利用这一点来冷却气体，我们它对不同的原子能有不同的效果。对于向着激光运动的原子来说，我们希望能减慢他们的速度，对于远离激光运动的原子来 说，我们不希望把它们推的越来越快。并不是所有波长的激光都能够和原子相互作用，原子在内部的电子能级发生变化的时候，会放出或者吸收特定波长的光，这构 成了原子的发射光谱或者吸收光谱。每一条谱线都是有一定的宽度，激光的波长越接近吸收谱线的中心位置，激光就越容易影响原子。

激光冷却原子的示意图，选择激光的波长在原子谱线偏红（波长偏长）的一侧，这样可以实现原子的减速。来自[5]里的动画截屏（强烈推荐大家去玩一玩这里面的一系列关于BEC的动画游戏）。

如果像上图右下角显示的那样，我们将激光的波长选择在原子谱线波长略微比中心位置长一些的一侧，那么由于多普勒效应，向着激光运动的原子感受到的波 长会显得短一些（蓝移），因此作用强烈；而背离激光运动的原子感受到的波长会更长一些，因此作用很弱。这样，如果在前后左右上下六个方向都有一束激光的 话，就可以保证把原子的速度降低下来。通过这种方法，可以将原子气体的温度降低到绝对零度之上大约千分之一摄氏度，这一温度要比自然条件下存在的最冷温度 低成千上万倍。（在自然条件下，最冷温度是太空的温度，也就是宇宙背景辐射的温度，大约为3K）。
然而，这还不够……要产生产生玻色-爱因斯坦凝聚，我们还需要更低的温度。

20世纪90年代的Carl Wieman教授（左）和Eric Cornell教授（右）。Eric Cornell教授现在是JILA的主任（JILA是科罗拉多大学和美国国家标准局的一个合作研究单位）。

玻色-爱因斯坦凝聚的最终实现
1990年，从麻省理工学院（MIT）获得博士学位的Eric Cornell来到科罗拉多州位于洛基山脉山脚下的小镇博尔德（Boulder）做博士后，随Carl Wieman教授一起致力于研究如何实现玻色-爱因斯坦凝聚，两年后他成为助理教授。他们采用了激光冷却的方法将铷原子气体冷却到很低的温度，然后利用磁 势阱蒸发冷却的方法得到了更低的温度。

磁势阱蒸发冷却示意图：磁势阱里面束缚的原子气体在势阱降低的时候，带有较高能量的原子会跑掉，留下温度较低的那些原子。

本身带有磁性的原子，这使得可以用磁场来束缚住原子，称为一个磁场的势阱。大家对蒸发冷却的原理都很熟悉：一杯开水放在桌子上，水里面速度较快的水 分子会冲出水面，散发到空气中去，从而带走了较多的能量，剩下的水分子平均能量因此降低。同样，通过降低磁势阱的高度，我们可以让束缚在势阱里面的带有较 高能量的原子跑掉，从而留下温度较低的原子，得到非常冷的原子气体。
利用这两种制冷方法，Cornell和Wieman在1995年6月成功地将含有大约2000个铷87原子（铷的一种同位素）的气体冷却到低于 170nK的温度（仅比绝对零度高了百万分之零点一七度），这时，大量的原子聚集到了最低的能量状态，形成了玻色-爱因斯坦凝聚[6,7]。此时，距离玻 色和爱因斯坦提出玻色-爱因斯坦凝聚的构想已过去70年。四个月之后，MIT的Wolfgang Ketterle教授等人成功地用钠23原子实现了玻色-爱因斯坦凝聚，他们实现的凝聚含有超过一百倍数量的原子，这使得他们可以观测一些重要的性质，比 如观察两个凝聚之间的量子干涉现象[2,8]。这三位科学家分享了2001年的诺贝尔物理学奖。

Eric Corn