[分享] 極限的養成--雷射冷卻在台灣（中）
【小標】物質第五態
印 度物理學家玻色（Satyendra Nath Bose）視愛因斯坦為「導師」的原因很容易理解，
如果不是愛因斯坦的慧眼，這個低調的天才可能只平平凡凡的在印度當個老師，維基百科
上可能也找不到這個 人。1924年，才三十歲玻色寫了篇〈普朗克原理和光量子〉文章四
處投稿，一再被退稿後，乾脆把文章轉寄給最重量級的科學家愛因斯坦。愛因斯坦發現了
這篇 文章的重要性，幫文章翻譯成德文發表，並將玻色的理論推廣，提出玻色‧愛因斯
坦凝聚（Bose-Einstein condensation）。
先別擔心你沒聽過玻色‧愛因斯坦凝聚（BEC），事實上你的中學物理老師也不一定聽過
。先來瞭解物質有幾態？一般人答得出固、液、氣三態；能說的出「電漿態」為第四態的
已經不多；而BEC更是到1995年才證實存在的「第五態」。
一 般說來，原子的氣體被冷卻時，會從氣體變成液體、在從液體變成固體。但是極度低
溫的時候，這些一顆顆的原子會「看似」愈變愈長，變成一條一條的蠕動的波。 繼續冷
卻下去，這些蠕動的波會重疊糾結、凝聚在一起。本來能區分的出哪顆原子是張三、哪顆
是李四，但是在極冷的狀態下，這群原子看起來就像一團你泥中有我 我泥中有你的超級
大原子。
極冷指的是0.00000001K，10-8K，差那麼一點點就達所有原子都凍僵的絕對零度。當我們
說A物體比 B物體熱，代表A物體中的原子運動速度比B物體體高。如果想要冷卻一團原子
，可以把他放進冰箱，讓他速度變慢。但冰箱的溫度、甚至攝氏負兩百度【記得統一 科
學符號數字或國字】的液態氮，都不足以讓這團原子冷卻到足以達到BEC的程度——10-8K
。
在BEC理論提出後的七十年，因為可以冷卻到接近絕對零度的設備與技術遲遲未出現，BEC
也因此無法被證實。
【小標】比慢的競賽
第 一個投入BEC戰場的，是被稱為冷原子教父、美國麻省理工學院的克勒普納（Daniel
Kleppner）。他嘗試使用磁場捕捉的一群氫原子來達成BEC，但因為氫的質量太輕而不幸
失敗。（註：克勒普納的研究團隊在初次失敗後，並未放棄，最 後在1998年也達成氫原
子的BEC。）
1985年，史丹佛大學的朱棣文(Steven Chu)等人發明雷射冷卻的方法，讓BEC的誕生重現
生機。
雷射可以燒焦你皮膚，但是在某種頻率下，他也能讓原子速度慢下來，也就是讓原子冷卻
。想像雷射光的光子是小小乒乓球，而原子是保齡球。不斷地將乒乓球打在迎面滾來的保
齡球上，會有減速的效果。
問題來了！原子不像保齡球一樣乖乖的滾在軌道上，這一大堆的原子是隨機亂跑的，不僅
方向不一樣，速度也不一樣。為了解決方向不一樣的問題，科學家用了六道雷射，分別從
不同的方向射入真空管中，如此一來，在這六個方向上移動的原子，都有機會被雷射光所
發射的光子減慢下來。
另 一個問題是速度，如果有一顆原子已經接近靜止狀態了，光子還傻傻地繼續打它，不
是會造成像高速公路「追撞」的效果，讓原子加速、變熱嗎？這就是雷射冷卻聰 明的地
方，他可以選擇要讓哪些原子變慢，也可以選擇不去影響那些已經很慢的原子。所應用到
的理論叫做「都普勒效應」（Doppler Effect）。
已經降溫（變慢）的原子，還是會到處亂跑，因此必須利用磁場和光做成的磁光阱（
magneto-optical trap）把原子捕捉住。然而，雷射冷卻只能降溫到到0.4×10-5K。要達
到BEC，這樣的溫度還是太熱了，需要到10-8K，還有最後一個重要步驟。
連雷射冷卻都達不到的低溫，一定需要更先進的科學技術吧？
不 用，接下來，拿出老祖母冷卻豆漿的方法來冷卻原子就可以了。老祖母煮了滾燙燙的
豆漿，放在一旁放涼。「放涼」的道理就是讓那些跑得很快的滾燙粒子離開豆 漿、跑到
空氣中，讓整鍋豆漿的溫度降低。科學家稱這個方法「蒸發冷卻」，由海斯（Harald
Hess）1986年在麻省理工學院時發明。其實就是把經過雷射冷卻，雖然已經變慢，但還是
不夠慢的原子們，裝在一個無形的、磁場做成的磁阱裡。這群還在 東跑西跳的原子在這
個碗裡，因為沒有封口，所以，能量高、跑得快的原子很容易就跑出碗中，使整個系統的
溫度降低。科學家們把磁場做成的碗緣慢慢降低，隨著 碗的邊緣降低，愛亂跑的原子們
也跑光了，留下來的就剩行動遲緩的原子。最後，這群非常非常緩慢的原子就形成了BEC
。
諾貝爾獎每年僅頒給區區數人，但榮譽的背後其實堆積著許多人的努力。
克 萊普納的實驗雖然沒有一舉成功，但團隊成員海斯發明的蒸發冷卻造福了其他後進者
。科羅拉多大學的康乃爾康乃爾（Eric Cornell）、魏曼（Carl Weiman），以及麻省理
工學院的凱特利（Wolfgang Ketterle）也投入了這場絕對零度的競賽。有了克萊普納的
前車之鑑，他們避開了氫原子，分別採用了銣和鈉原子做實驗。也感謝雷射冷卻、蒸發冷
卻的發 明，讓這三位科學家在1995年都達成了BEC，並獲得了2001年的諾貝爾物理獎。
【小標】科學的目的
七十年來，科學家不斷的嘗試、失敗、再挑戰，將累積的經驗傳承，終於解開物質有無第
五態的科學之謎，這的確是偉大的成就。但是，這樣偉大的BEC，到底能幹嘛？
我問了這個問題，結果同學皺眉看著我，好像我是看到莫內的畫卻只盤算會不會增值的勢
利眼。（通常我問了他們回答不了的問題，他們就會勸我不要那麼「直觀」）同學說，也
許，BEC可以用來製造原子鐘、更準確的全球定位系統、更快速的量子電腦等等。
但 是，這些「可能性」更像是科學家為了堵住質疑者的嘴而想出來的。身為七十年未解
的謎，BEC的確是真相的追尋。而它的用途，就像科羅拉多JILA實驗室的 BEC教學網頁上
說：「我們的處境就像四百年前居住在大溪地的土著。某一天不知何故，一座漂流的巨大
冰山被沖上岸邊。面對這個奇異的景象，土著們的結論 釋：這座冰山可以用來做冰淇淋
。」
BEC代表的是科學界對原子有更全面的控制，「也許將來」可以應用在、精密測量或製作
電腦晶片。說「將 來」是因為BEC距離實際應用還有一段路。它太脆弱了，以目前的技術
，它只能存在於真空與黑暗中；目前僅有少數幾種原子能達到BEC，而且因為實驗過程的
消耗，凝聚成BEC的原子數也極少。
也許離真正的應用還有一段距離。但是，市場價值對於衷情於研究的科學家不一定最重要
，並非每個科學研究的動機都是想著要上購物台熱銷十萬組。也不是要唱高調說科學的目
的是探究宇宙的真理，但是，也許解謎過程中的樂趣與成就感，就是科學的目的。
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