【科學講堂】「物質第五態」發現三十載 量子科學不斷進步

1995年，兩個獨立研究團隊首次發表了製造出玻色—愛因斯坦凝聚態（Bose-Einstein Condensation, BEC）的決定性證據。這項劃時代的成就，使得相關科學家於2001年榮獲諾貝爾物理學獎。如今，此現象不僅是凝態物理的核心課題，更在高能物理、宇宙學與量子科技等多個領域展現出深遠的應用潛力。本文將回顧這一關鍵物理發現是如何逐步實現的。

玻色—愛因斯坦凝聚被視為繼固、液、氣、等離子體之後的「物質第五態」，其研究開啟了操控宏觀量子現象的新紀元，在BEC這種獨特的物質狀態下，大量粒子因量子效應而協同一致地運動，彷彿一個宏觀的單一整體。

今年正是原子物理學一項重大發現的30周年紀念。早在1925年，愛因斯坦受物理學家薩特延德拉·納特·玻色的啟發，預言了BEC存在的可能性。玻色最初闡述了光量子（光子）的統計行為，愛因斯坦進而將其理論推廣至原子體系：他預測，當某類粒子在極低溫度下，即使彼此間無任何吸引力，也會聚集到相同的量子基態，從而表現出整體一致的運動。

起初，BEC僅被視為理論設想。直到1938年，科學家在液態氦-4中觀察到超流現象——氦液體能夠無阻力地流動——人們開始意識到BEC可能是其背後的物理機制。類似概念亦可延伸至超導現象：當電子結成「庫珀對」後，在低溫下形成類似BEC的凝聚態，從而實現電流的零電阻傳輸。

（按：粒子能否形成BEC，取決於其內稟屬性「自旋」。自旋為整數的粒子（玻色子）可聚集至同一量子態；而自旋為半整數的粒子（費米子）則受泡利不相容原理限制，無法形成傳統意義上的BEC。）

進入1970年代中期，實驗物理學家開始積極嘗試在實驗室中製備BEC。關鍵突破之一是雷射冷卻技術的發展：透過雷射光子與原子的動量交換，使原子減速從而降低其溫度；在最後冷卻階段，再利用「蒸發冷卻」有選擇地移除能量最高的原子，使剩餘原子團溫度進一步驟降。這項關鍵技術為實現BEC鋪平道路，並於1997年獲得諾貝爾物理學獎的肯定。

1995年，兩個研究團隊分別利用銣原子與鈉原子成功觀測到BEC。他們先以磁場束縛住原子雲，結合雷射冷卻與蒸發冷卻技術，將原子溫度降至僅比絕對零度高數十億分之一度的極低溫。

為確認BEC的形成，研究人員關閉磁場束縛，讓原子自由擴散並測量其速度分布。當溫度低於臨界值時，大量原子聚集在幾乎為零動量的量子基態，清晰顯示出愛因斯坦所預言的凝聚現象。至今，科學家已在實驗室中使多種不同的原子體系實現BEC。

小結

極低溫原子系統所形成的BEC，為我們提供了一個高度可控的量子模擬平台，用以探索宏觀尺度下的量子行為。例如，科學家可利用BEC模擬固體中電子的運動、研究磁學的微觀機制，甚至探索宇宙學中暗能量的可能類比。此外，BEC體系在量子計算、精密測量與新型量子器件開發等方面，亦持續展現出重要的應用前景。這項三十年前的實驗突破，至今仍在不斷推動前沿科學與技術的融合與創新。

●杜子航 教育工作者 早年學習理工科目，一直致力推動科學教育與科普工作，近年開始關注電腦發展對社會的影響。