人類已經(jīng)耗費(fèi)了100多年的時(shí)間，試圖達(dá)到絕對(duì)零度，盡管還沒有到達(dá)目的地，但這段神奇的旅途已經(jīng)為人類提供了很多絕美的“風(fēng)景”，促使科學(xué)家們做出了很多重要的研究發(fā)現(xiàn)，其中最著名的當(dāng)屬大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）內(nèi)使用的超導(dǎo)體；以及有望成為量子計(jì)算機(jī)的量子比特的馬約拉納費(fèi)米子等。這或許是一段永無止境的追尋。

　　據(jù)英國《新科學(xué)家》雜志網(wǎng)站6月25日?qǐng)?bào)道，到達(dá)絕對(duì)零度是一個(gè)令人想來就會(huì)心生膽怯的目標(biāo)，一百多年來，人們上下求索，但從未到達(dá)，不過，這絕非一場(chǎng)堂吉訶德般徒勞無功的探索，而是如少年派和孟加拉虎在海上漂流一樣，是一場(chǎng)處處有驚喜的奇幻之旅，這段探索之旅催生了很多科學(xué)奇跡，是自然饋贈(zèng)給人類的“意外之禮”。

　　絕對(duì)零度：諾貝爾獎(jiǎng)催化劑

　　我們很小的時(shí)候，就開始與溫度打交道。父母?jìng)兛偸菚?huì)不厭其煩地確保孩子房間里溫暖如春；洗澡水的溫度“剛剛好”；而有些東西則“太燙了，不能碰”。

　　隨著我們慢慢長(zhǎng)大，我們開始用數(shù)值來表示對(duì)溫度的感覺。我們知道，水到了零度就會(huì)結(jié)成冰；氣溫20攝氏度左右，會(huì)讓我們感覺涼爽宜人；人體處于37攝氏度時(shí)最舒服自在。隨著我們對(duì)溫度的認(rèn)識(shí)不斷強(qiáng)化和深入，在某個(gè)節(jié)點(diǎn)上，或許是在上學(xué)時(shí)，我們同另一個(gè)遠(yuǎn)離日常生活的溫度——絕對(duì)零度狹路相逢。

　　絕對(duì)零度就是開爾文溫標(biāo)定義的零點(diǎn)。0K約等于攝氏溫標(biāo)零下273.15度。絕對(duì)零度是冷的極致，是一種理想的無法達(dá)到的完美冰冷狀態(tài)，就如瑞典著名兒童文學(xué)女作家、國際安徒生獎(jiǎng)獲得者阿斯特麗德·林格倫在其名著《米歐，我的米歐》中描述的浪漫且神秘的“遙遠(yuǎn)之國”一樣，是一個(gè)人類會(huì)無限接近，但永遠(yuǎn)也無法到達(dá)的“美麗新世界”。

　　但即便如此，自從這一概念于十九世紀(jì)中葉首次出現(xiàn)以來，很多人終其一生的努力目標(biāo)就是離它更近一點(diǎn)。這看起來是一場(chǎng)堂吉訶德式（崇高但無實(shí)際意義）的追尋，但實(shí)際情況并非如此。

　　今年是首個(gè)與絕對(duì)零度有關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)被授予100周年，自此，絕對(duì)零度就像諾貝爾獎(jiǎng)的催化劑一樣—科學(xué)家們?cè)谧穼そ^對(duì)零度的過程中，做出的很多美麗的意外發(fā)現(xiàn)多次摘得諾貝爾獎(jiǎng)的桂冠。例如，華裔物理學(xué)家朱棣文曾因發(fā)明了激光冷卻和磁阱技術(shù)制冷法而與另兩位科學(xué)家分享了1997年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2001年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)由因發(fā)現(xiàn)了“堿金屬原子稀薄氣體的玻色-愛因斯坦凝聚”這一新的物質(zhì)狀態(tài)的德國科學(xué)家沃爾夫?qū)?middot;克特勒摘得等等，不一而足。

　　在邁向絕對(duì)零度的過程中取得的每個(gè)進(jìn)步，都展示出了一些別樣的、獨(dú)一無二的美麗和有序；催生出一批工程上的奇跡；強(qiáng)化了我們對(duì)一些基本科學(xué)概念的理解，尤其是對(duì)溫度和物質(zhì)概念本身的理解。

　　絕對(duì)溫度之下：萬籟俱寂

　　對(duì)溫度的熟視無睹會(huì)使我們很容易忽略這一概念常常會(huì)給我們帶來多大的驚喜。早期的自然哲學(xué)家，比如意大利物理學(xué)家、天文學(xué)家、哲學(xué)家、近代實(shí)驗(yàn)科學(xué)的先驅(qū)者伽利略·伽利雷，英國物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家、天文學(xué)家艾薩克·牛頓，英國化學(xué)家羅伯特·波義耳將熱看成是名為熱質(zhì)（caloric）的液體，這一說法的影響可謂十分深遠(yuǎn)——直到今天，我們?nèi)匀徽f熱“流”。而另外一些哲學(xué)家則認(rèn)為，冷是由一些“致冷原子”造成的。以前，人們希望能可靠地測(cè)量熱和溫度的諸多嘗試大多以失敗告終。早期最有用的溫度計(jì)依靠液體受熱會(huì)膨脹的原理來工作。少量液體被局限在一個(gè)玻璃燈泡或狹窄的玻璃管內(nèi)，人們首先將兩種固定情況下（比如暴露在沸水或正在融化的冰中），液面所在的位置標(biāo)示出來，未知的溫度（熱度）則用這兩個(gè)固定點(diǎn)之間某個(gè)刻度來表示。問題在于，這一測(cè)量方法會(huì)導(dǎo)致“第22條軍規(guī)”的出現(xiàn)：溫度計(jì)標(biāo)示刻度的前提是，液體在不同的溫度下，都以同樣的方式膨脹，但如果不測(cè)量液體隨溫度的膨脹情況，就無法對(duì)這一假設(shè)的真?zhèn)芜M(jìn)行驗(yàn)證，而要進(jìn)行這種測(cè)量，就必須要有一支溫度計(jì)。

　　這種情況直到19世紀(jì)40年代才發(fā)生改變。法國化學(xué)家、物理學(xué)家亨利·維克托·勒尼奧進(jìn)行了一個(gè)精巧的實(shí)驗(yàn)，他用一支溫度計(jì)對(duì)一個(gè)密閉容器內(nèi)干燥氣體在壓力下的變化進(jìn)行了測(cè)量，從而建立了一套可靠的可重復(fù)性的溫度讀數(shù)。對(duì)于科學(xué)界和工業(yè)界來說，這不啻為一個(gè)福音，但是，這仍然沒有真正解釋清楚，我們究竟在測(cè)量什么。

　　早期人們使用多種刻度來標(biāo)注溫度，關(guān)于溫度的這種困惑由此可見一斑。有些標(biāo)記直到今天我們?nèi)匀辉谑褂?，比如使用水的不同屬性來校?zhǔn)溫度的攝氏度和華氏度。

　　攝氏度是目前使用比較廣泛的一種溫標(biāo)，它由18世紀(jì)瑞典天文學(xué)家安德斯·攝爾修斯提出。攝爾修斯把一個(gè)大氣壓下水的沸點(diǎn)定為零度，冰點(diǎn)定為一百度，其間分成一百等分，一等分為一度。但在使用中，人們感到很不方便，因此，攝爾維斯第二年把該溫度表的刻度值顛倒過來使用。又隔兩年，瑞典著名博物學(xué)家林耐也使用了這種把刻度顛倒過來的溫度表。這種溫度表仍然稱為攝氏溫標(biāo)（又叫百分溫標(biāo)）。后人為了紀(jì)念安德斯·攝爾修斯，用他的名字第一個(gè)字母“C”來表示。

　　華氏度是以其發(fā)明者德國人加布里埃爾·華倫海特的名字來命名的。1714年，華倫海特發(fā)現(xiàn)，液體金屬水銀比酒精更適宜制造溫度計(jì)，因此，他以水銀為測(cè)溫介質(zhì)，發(fā)明了玻璃水銀溫度計(jì)，并選取氯化銨和冰水混合物的溫度為溫度計(jì)的零度，人體溫度為溫度計(jì)的100度，他把水銀溫度計(jì)從0度到100度按水銀的體積膨脹距離分成100份，每一份為1華氏度，記作“1℉”。

　　歷史的車輪行進(jìn)到19世紀(jì)晚期，英國物理學(xué)家威廉·湯姆森，也就是后來的開爾文勛爵首先想到，我們或許可以使用一套不依賴任何物質(zhì)屬性的絕對(duì)溫度標(biāo)記來測(cè)量溫度。開爾文勛爵建立的新溫度標(biāo)度稱為絕對(duì)溫標(biāo)，它的量度單位稱為開爾文（K）。這種標(biāo)度的分度距離同攝氏溫標(biāo)的分度距離相同。它的零度即可能的最低溫度相當(dāng)于攝氏零下273度（精確數(shù)為-273.15℃），被稱為絕對(duì)零度。

　　但是，開爾文勛爵開出的這個(gè)“秘方”只適用于理想氣體，因此，在熱力學(xué)形成后，人們發(fā)現(xiàn)絕對(duì)溫標(biāo)有更深刻的物理意義，特別是開爾文論證了絕對(duì)零度不可達(dá)到后，科學(xué)家們便將絕對(duì)溫標(biāo)改稱為熱力學(xué)溫度（溫標(biāo)），并用開爾文（Kelvin）第一個(gè)字母K為其單位。

　　曾幾何時(shí)，那些偉大的名垂青史的科學(xué)先驅(qū)們竟然不理解萬事萬物都由原子組成，這真讓人難以想象，但這的確是事實(shí)。只有理解了萬事萬物都由原子組成這一點(diǎn)，溫度的本質(zhì)才水落石出。熱是原子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能，溫度是對(duì)原子運(yùn)動(dòng)速度的衡量，更精確來說，溫度測(cè)量的是分子平均運(yùn)動(dòng)速度的平方。在日常生活中，當(dāng)我們感受到某個(gè)物質(zhì)的溫度時(shí)，就學(xué)院派的觀點(diǎn)而言，我們正在感覺的是物質(zhì)的“躁動(dòng)”。一旦我們接受物體中的分子在不斷抖動(dòng)這一觀念，絕對(duì)零度的定義也就呼之欲出：它就是讓原子完全靜止的溫度。接下來的問題是：在什么溫度下會(huì)發(fā)生這種情況呢？#p#分頁標(biāo)題#e#

　　線索來自那些行家里手。17世紀(jì)，法國的一位樂器制造者紀(jì)堯姆·阿蒙東發(fā)現(xiàn)，將密封在瓶中的一定體積的空氣溫度降低，瓶中的氣壓也會(huì)隨之降低。他由此推斷溫度降得越低，氣壓就會(huì)越小，最終會(huì)在某個(gè)溫度下完全消失—我們現(xiàn)在認(rèn)為，這一溫度大約為零下300攝氏度。后來，隨著人們對(duì)理想氣體的溫度和壓力的測(cè)量日益精確，人們發(fā)現(xiàn)，這一數(shù)值并不算太離譜?，F(xiàn)在，絕對(duì)零度被定義為開爾文溫標(biāo)下的零點(diǎn)，大約為-273.15攝氏度。

　　追尋絕對(duì)零度：永不落幕的故事

　　一旦我們厘清了絕對(duì)溫度真正的含義，到達(dá)絕對(duì)零度的馬拉松比賽的發(fā)令槍就真正打響了，那時(shí)是19世紀(jì)晚期。正如差不多同時(shí)上演的、前往地球上人煙罕至的南北兩極的競(jìng)賽一樣，這也是前往未知的旅程。所不同的是，后者勝負(fù)已分，而對(duì)絕對(duì)零度的追尋將永不落幕。

　　為什么這么說呢？為了理解這一點(diǎn)，我們不妨想象一下冰箱的工作原理。冰箱的內(nèi)壁會(huì)與更冷的物質(zhì)（一般是一些不斷循環(huán)的制冷劑）接觸，這樣，熱量就不斷從冰箱內(nèi)流入制冷劑，從而給冰箱內(nèi)的物體降溫。同理，如果想要熱從你想要讓其達(dá)到絕對(duì)零度的物體那兒流出，那么，制冷劑的溫度就必須低于絕對(duì)零度，但這是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)：你無法讓分子運(yùn)動(dòng)得比靜止還慢。你最多只能希望，它們盡可能接近靜止而已。

　　冰箱內(nèi)的制冷劑通過膨脹來給冰箱降溫，在這一過程中，冰箱內(nèi)的壓力會(huì)降低，因此，分子運(yùn)動(dòng)的平均速度會(huì)減少。最開始，人們也曾用同樣的技術(shù)來獲得更低的溫度?？茖W(xué)家們讓一種又一種氣體在壓力下冷卻，然后再讓它們快速膨脹，使氣體的溫度一次比一次低，科學(xué)家們甚至也會(huì)讓氣體凝聚，從氣態(tài)變成液態(tài)。

　　在這樣日復(fù)一日氣體溫度不斷降低的過程中，日歷翻到了19世紀(jì)70年代末，法國人路易斯·保羅·卡耶泰用讓氣體不斷膨脹的方法在零下183℃得到了液態(tài)氧，接著，在零下196℃得到了液態(tài)氮。但是，在他的時(shí)代，沒有人會(huì)預(yù)想到這兩種物質(zhì)在20世紀(jì)會(huì)變得如此“遍地開花”。要是讓當(dāng)時(shí)的人們對(duì)這兩種物質(zhì)的用途進(jìn)行預(yù)測(cè)，“消疣除痣”和“瞬間制冰淇淋”絕不可能榜上有名。

　　隨后，1898年，蘇格蘭人詹姆斯·杜瓦在零下250℃得到了液態(tài)氫之后，就只剩下氦氣還未被征服了。氦原子之間的相互作用力非常微弱，這就使它成為最難被凝聚的氣體。但不管怎樣，讓氦原子最終變成液體的無數(shù)努力和天才設(shè)想最終還是有了回報(bào)：1908年7月10日，荷蘭萊頓大學(xué)的海克·卡末林·昂內(nèi)斯實(shí)現(xiàn)了4.2K的低溫，首次獲得了幾立方厘米液態(tài)氦。超低溫下的美麗新世界

　　液氦成為通向全新的物理世界的一把鑰匙。就在獲得液氦之后不久，昂內(nèi)斯就發(fā)現(xiàn)，在極低的溫度下，有些金屬會(huì)變身為超導(dǎo)體。冷卻到特定的臨界溫度之下，這些金屬的電阻會(huì)陡然下降至少15個(gè)數(shù)量級(jí)，幾乎與零無異。諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)沒花多長(zhǎng)時(shí)間就認(rèn)識(shí)到了昂內(nèi)斯工作的重要性，1913年，將諾貝爾獎(jiǎng)授予了他。盡管超導(dǎo)技術(shù)迄今還沒有像人們?cè)?jīng)希望的那樣隨處可見，但是，它已經(jīng)出現(xiàn)在了核磁共振成像儀的磁鐵里；位于瑞士日內(nèi)瓦郊外的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）中的功能超強(qiáng)的磁鐵里也有它的“倩影”，正是借助這一磁鐵的威力，科學(xué)家們才能將質(zhì)子束約束在LHC的環(huán)形軌道中。

　　然而，最讓人驚嘆的低溫現(xiàn)象或許還不是超導(dǎo)，而是在液氦誕生的那天，發(fā)生在昂內(nèi)斯眼前的那一幕。透過密封隔離的玻璃容器內(nèi)的小縫隙，他窺見幾乎完全透明的液體在翻滾。本來，將液面上的液氦蒸汽從容器中吸出，可以將運(yùn)行速度最快的液氦分子移出容器，從而進(jìn)一步給液氦降溫，但實(shí)際情況卻是液氦反而沸騰得更加劇烈了。

　　但接下來，當(dāng)溫度降低到一定程度（我們現(xiàn)在知道是2.17K）時(shí)，翻滾的氣泡突然停止了翻滾，液氦變得如死一般安靜。數(shù)年之后，答案才揭曉。原來，部分液氦突然進(jìn)入到了一個(gè)全新的狀態(tài)：超流體，這是一種可以完全無阻礙地流動(dòng)且能完美導(dǎo)熱的狀態(tài)。不管何時(shí)，只要部分液氦變得更熱并開始形成氣泡，超流體都會(huì)在氣泡形成之前將熱帶走。

　　超流體是超低溫下具有奇特性質(zhì)的理想流體，即流體內(nèi)部完全沒有粘滯。超流體和超導(dǎo)體都是超低溫現(xiàn)象，但超流體所需的溫度比超導(dǎo)還低。

　　超流體其中一個(gè)重要的應(yīng)用是稀釋致冷機(jī)。超流氦-4也已成功用作化學(xué)領(lǐng)域光譜分析技術(shù)的量子溶劑。超流體亦用于高精度儀器，如陀螺儀；它還可以量度一些理論預(yù)測(cè)的引力效應(yīng)。另外，2002年，德國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)，銣原子氣體超流體態(tài)與絕緣態(tài)可逆轉(zhuǎn)換，科技界認(rèn)為該成果將在量子計(jì)算機(jī)研究方面帶來重大突破。

　　而且，美國麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家在劍橋發(fā)現(xiàn)一種新物質(zhì)態(tài)：超流氣體。這種物質(zhì)是50nK（納開，十億分之一開爾文）的鋰-6。此外，2004年，美國賓州州立大學(xué)的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了超固體，當(dāng)氦-4在高壓冷凍到2K以下，超流體便相變成超固體。它亦可以零粘度流動(dòng)。

　　更令人驚異的發(fā)現(xiàn)接踵而至。氦原子通常包含有兩個(gè)中子、兩個(gè)質(zhì)子，因此，最常見的氦原子一般為氦-4，然而，還有一種比氦-4罕見數(shù)千倍的同位素氦-3，其只有一個(gè)中子。這些更輕的氦-3中子會(huì)在3.2K而非4.2K凝結(jié)，而且，一旦被液化，兩者的行為迥然不同，例如，氦-3的黏性不僅沒有減弱，反而會(huì)變得更強(qiáng)。

　　誰能想到，僅僅一個(gè)中子之差就會(huì)讓一種液體的物理屬性發(fā)生如此巨大的變化？但它們并非罕見的現(xiàn)象，而是在我們的生活中隨處可見，只不過我們的肉眼凡胎，沒有意識(shí)到普通物質(zhì)本身是多么令人驚奇而已。“幕后黑手”：量子力學(xué)

　　這些貌似怪異的行為背后存在著一個(gè)普遍的真理，那就是，我們所身處的世界是一個(gè)由量子力學(xué)所支配的世界。只有當(dāng)?shù)蜏刈屵@些隨機(jī)波動(dòng)減少之后，這一點(diǎn)才水落石出。例如，我們看到，氦原子之間的相互作用如此微弱，導(dǎo)致量子機(jī)制讓這些氦原子不用麻煩地四處“跳來跳去”就可以交換位置。這種量子交換使這兩種氦能在能達(dá)到的最低溫度下保持液態(tài)。實(shí)際上，計(jì)算表明，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氦即使在絕對(duì)零度下也會(huì)保持液態(tài)。

　　了解量子現(xiàn)象正是人們繼續(xù)追尋絕對(duì)零度的理由之一。氦-3和氦-4在液態(tài)下的不同屬性成為我們繼續(xù)探索的墊腳石。在名為稀釋制冷機(jī)的設(shè)備內(nèi)，氦-4的超流態(tài)會(huì)讓液態(tài)氦-3表現(xiàn)得像氣體一樣，有效地蒸發(fā)進(jìn)氦-4組成的“真空”內(nèi)，從而使整個(gè)裝置的溫度下降到0.001K，也就是1毫開爾文（mK）。在這一溫度下，氦-3本身也變成了超流體，但其擁有磁性。

　　如果冷卻到0.001K算很困難，那么，繼續(xù)朝下冷卻則“難于上青天”。所有物質(zhì)的導(dǎo)熱率都會(huì)隨著溫度的下降而陡降，這意味著，溫度越低，將熱量從某種物質(zhì)中移走需要更長(zhǎng)的時(shí)間。與此同時(shí)，在低溫下，所有物質(zhì)的熱容量（單位質(zhì)量該物質(zhì)吸收或放出熱量引起溫度升高或降低時(shí)，溫度每升高1K所吸收的熱量或每降低1K所放出的熱量）會(huì)變得微乎其微，因此，任何用來研究物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)都需要將該物質(zhì)加熱。假如像一只蝴蝶那樣輕的一個(gè)物體從10厘米高的地方落下，落在一塊1平方厘米、溫度為0.001K的銅上，撞擊產(chǎn)生的能量足以讓銅塊的溫度上升100倍。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　還好我們有一些變通的方法，至少對(duì)少量的物質(zhì)能起作用。對(duì)于那些只包含數(shù)十億個(gè)原子的氣團(tuán)，我們可以采用逐個(gè)冷卻的辦法。激光光子會(huì)同每個(gè)原子相互撞擊，帶走動(dòng)能并讓原子的速度慢慢降下來。這種方法的原理仍然是使用一種物體帶走另一種物體的熱量，只不過現(xiàn)在使用的制冷劑更復(fù)雜一些而已。使用這一方法，我們能將原子的運(yùn)動(dòng)速度從1毫開爾文時(shí)的1米/秒降低到1nK時(shí)的1毫米/秒。

　　這一奇思妙想給我們的回報(bào)是，我們能排除混亂的熱力學(xué)干擾，探究在量子力學(xué)的支配下物質(zhì)的“一舉一動(dòng)”。我們知道，從本質(zhì)上來說，超導(dǎo)是一種量子現(xiàn)象，但是，在花費(fèi)了數(shù)十億美元之后，我們?nèi)匀粚?duì)某些超導(dǎo)體在130K以上溫度下的行為一無所知。通過制造出一些可控性更好的量子系統(tǒng)，我們就可以使用一團(tuán)超冷的原子氣團(tuán)，通過使用激光脈沖來探索和刺激原子之間的相互作用，來調(diào)查這種現(xiàn)象。

　　我們還能用無與倫比的超冷物質(zhì)的純量子支配環(huán)境來模擬中子星內(nèi)部的極端環(huán)境、基本粒子之間的相互作用以及宇宙誕生伊始的相變。在低溫下，電子之間的相互作用會(huì)制造出元激發(fā)（有時(shí)候我們也將其稱為準(zhǔn)粒子），其質(zhì)量可達(dá)自由電子質(zhì)量的數(shù)千倍，剛好同在自由空間內(nèi)通過與希格斯場(chǎng)相互作用從而獲得質(zhì)量的基本粒子的質(zhì)量相當(dāng)。同樣的，超導(dǎo)體內(nèi)的準(zhǔn)粒子元激發(fā)最近被證明其行為類似于馬約拉納費(fèi)米子。科學(xué)家們很早就預(yù)言了馬約拉納費(fèi)米子的存在，其反粒子就是自己本身。

　　此刻，我們還看不到這些實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果有何直接用途。但是，有了上個(gè)世紀(jì)的前車之鑒，我們最好還是不要妄下斷言。

　　據(jù)英國《自然》雜志網(wǎng)站2012年2月28日?qǐng)?bào)道，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的科學(xué)家李·考文霍夫在美國物理學(xué)會(huì)于當(dāng)天舉辦的年度大會(huì)上發(fā)表演講時(shí)表示，他們或許已制造出了神秘莫測(cè)的馬約拉納費(fèi)米子，這一粒子有望在讓傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)相形見絀的量子計(jì)算中用來形成穩(wěn)定的比特。如果研究結(jié)果獲得證實(shí)，那將是物理學(xué)領(lǐng)域的重大突破。強(qiáng)大的量子計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)，或許有賴于我們對(duì)低溫下物質(zhì)復(fù)雜性質(zhì)的掌握。

　　盡管此前已有其他團(tuán)隊(duì)報(bào)告過馬約拉納費(fèi)米子在固體物質(zhì)中“現(xiàn)身”的間接證據(jù)，但哈佛大學(xué)的物理學(xué)家杰·叟聽了考文霍夫的演講后表示，這是一個(gè)直接的測(cè)量，叟說：“我認(rèn)為這是迄今最富成效的實(shí)驗(yàn)，很難認(rèn)為這不是馬約拉納費(fèi)米子。不過，考文霍夫制造出的這些粒子是否足夠‘長(zhǎng)壽’用來做量子比特還有待進(jìn)一步的研究。”如果最新研究結(jié)果經(jīng)得起檢驗(yàn)，將不僅率先制造出馬約拉納費(fèi)米子，更是固體物理學(xué)領(lǐng)域的重大進(jìn)步。人們認(rèn)為，至今還沒有被直接觀測(cè)到的中性微子可能組成了宇宙中大多數(shù)甚至全部的暗物質(zhì)，其可能是一種馬約拉納費(fèi)米子。

　　盡管昂內(nèi)絲已經(jīng)將我們帶到了4.2k，但100年過去了，我們?nèi)匀辉诠タ私^對(duì)零度的最后一個(gè)堡壘，結(jié)果似乎有點(diǎn)差強(qiáng)人意。不過，我們不應(yīng)該只盯著溫度不放，而是應(yīng)該看到1K和1毫k之間、1毫K和1微K之間、1微K和1納K之間數(shù)千倍的差別會(huì)產(chǎn)生什么后果。

　　其實(shí)，科學(xué)家們每次獲得更低的溫度，都像是在為自然界這所大房子消除噪音，讓我們能更安靜地聆聽自然的低語。如果我們繼續(xù)冷卻下去，我們能在一個(gè)更加精微的新尺度上探索原子間的相互作用。即使到了1納K，距離底部仍然有很大的空間，隨后，我們會(huì)降到皮K（pK，10-12K），飛K（fK，10-15K），直至無窮。而此前曲折離奇的經(jīng)驗(yàn)提醒我們，接下來會(huì)發(fā)生什么，無人知道。

　　背后故事：

　　1、朱棣文與“激光冷卻原子”

　　瑞典皇家科學(xué)院宣布，將1997年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國斯坦福大學(xué)華裔教授朱棣文博士和美法的另外兩位科學(xué)家，以表彰他們找到了用激光冷卻和捕捉原子的新方法——這一方法是朱棣文博士首先發(fā)現(xiàn)的，他用激光將氣體的溫度降到百萬分之一度，使冷卻的原子保持漂移，并被各種“原子陷阱”捕捉。捕捉到的原子越來越多，就會(huì)逐漸形成一種稀薄氣體，其性質(zhì)也就可以得到詳細(xì)研究——這是物理學(xué)理論研究的一項(xiàng)重大突破，極大地加深了人們對(duì)低溫氣體的量子物理狀態(tài)的理解。

　　制服原子 造福人類

　　1997年10月15日凌晨，睡夢(mèng)中的朱棣文被一陣急促的電話鈴聲驚醒，他的研究生率先向他報(bào)告了獲獎(jiǎng)的消息。超初，朱棣文還以為是學(xué)生跟他開玩笑，隨后，一個(gè)又一個(gè)探詢和祝賀的電話不斷打進(jìn)來，朱棣文這才確信：“我是真得獎(jiǎng)了。”

　　從事科學(xué)研究需要非凡的耐力和冷靜，對(duì)于朱棣文來說更是如此，因?yàn)樗鶑氖碌氖聵I(yè)最講究“冷”和“靜”。記得中學(xué)上物理課時(shí)，曾做過有名的布朗實(shí)驗(yàn)：把幾顆花粉浸入靜止的水中，花粉粒并不會(huì)馬上下沉，而是在水中作不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，這表明水分子本身在不規(guī)則地?cái)_動(dòng)。氣體原子或分子和液體分子一樣，也是時(shí)刻亂竄，而且活動(dòng)范圍大得多，速度也快得多，大約在1千米/秒到10千米/秒之間。所以要在室溫下測(cè)量氣體原子的有些物理特性是很困難的。如何讓氣體原子慢下來？最直觀的結(jié)論是降溫。要使氣體原子速度降到足夠低，溫度必須降到絕對(duì)零度（－273攝氏度）附近，這時(shí)，幾乎所有的氣體都將凝成液體甚至冰晶。為了解決這一難題，朱棣文于1985年首次發(fā)明了“激光致冷捕捉”技術(shù)——用6束激光分別在上下、左右、前后方向上轟擊氣體，將氣體原子束縛在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)，因而達(dá)到降低其速度的效果。氣體原子的速度降低了，溫度也就相應(yīng)下降。就這樣，朱棣文和其他一些科學(xué)家在微觀世界里創(chuàng)造了一個(gè)異常“冷靜”的角落——原子變得非常聽話。

　　眾所周知，世界上的物質(zhì)都在空間不停地運(yùn)動(dòng)著，只是各自的運(yùn)動(dòng)速度不同而已。例如，原子是組成單質(zhì)和化合物分子的微粒，它在空間的運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)每秒500米、每小時(shí)1800公里左右。長(zhǎng)期以來，由于原子有著如此快的運(yùn)動(dòng)速度，科學(xué)家一直難以對(duì)其進(jìn)行更深入的觀察和研究。為了準(zhǔn)確地研究原子及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，物理學(xué)家們夢(mèng)寐以求的是將原子運(yùn)動(dòng)的速度放慢直至相對(duì)靜止的狀態(tài)。1975年，美國斯坦福大學(xué)的肖洛和漢斯等物理學(xué)家提出一個(gè)設(shè)想，將激光的光子動(dòng)量傳遞給原子，形成輻射壓力，使原子的溫度降低，以阻止原子的熱運(yùn)動(dòng)。80年代初，做了幾年博士后的朱棣文打算將此富有重大意義的研究進(jìn)行下去。他設(shè)想用6個(gè)方向的激光束對(duì)原子進(jìn)行照射，來達(dá)到冷卻原子、減慢原子運(yùn)動(dòng)速度的目的。在分子物理學(xué)中，研究氣體的原子與分子相當(dāng)困難，因?yàn)樗鼈兗词乖谑覝叵?，也?huì)以上百公里的速度朝四面八方移動(dòng)，惟一可行的方法是冷卻。然而，一般冷卻方法會(huì)讓氣體凝結(jié)為液體進(jìn)而結(jié)凍。朱棣文等3位學(xué)者則利用激光達(dá)到冷卻氣體的效果，即用激光束達(dá)到萬分之一絕對(duì)溫度，等于非常接受絕對(duì)零度（零下273攝氏度）。原子一旦陷入其中，速度將變得非常緩慢，因而容易俘獲，人們也就有足夠長(zhǎng)的時(shí)間來觀察和研究原子的狀態(tài)。 

　　朱棣文開始做實(shí)驗(yàn)是1984年，當(dāng)時(shí)他是AT&T貝爾實(shí)驗(yàn)室的量子電子技術(shù)部主任。1985年他取得了突破——用激光照射原子從而使其減速。原子對(duì)不同的光有不同的反應(yīng)，朱棣文將激光微調(diào)到比共振稍低的頻率，從6個(gè)方向撞擊原子，使快速運(yùn)動(dòng)的原子在撞擊下產(chǎn)生“多普勒效應(yīng)”。原子吸收光，被光撞擊后就被彈回去。這樣，原子運(yùn)動(dòng)的速度就下降到每小時(shí)1/10公里。朱棣文說：“此時(shí)的原子仿佛掉進(jìn)了一個(gè)光子海中，它無論向哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，都會(huì)受到巨大的阻力。”他形象而實(shí)在地將由激光束形成的這種用來冷卻原子的介質(zhì)稱為“光學(xué)粘膠”。朱棣文和他的同事們還成功地設(shè)計(jì)了第一個(gè)原子陷阱，使冷卻的原子不受重力的影響而下沉。

　　據(jù)介紹，朱棣文從事的是目前世界上最尖端的激光致冷捕捉研究，有著非常廣泛的實(shí)際用途。由于他的出色工作，科學(xué)家們從此就可以將原子“抓住”，不讓它們亂跑，也就能對(duì)懸浮在空間近乎不動(dòng)的原子進(jìn)行研究。許多科學(xué)家稱：“這項(xiàng)出色的工作不但有科學(xué)理論上的意義，也有實(shí)用的價(jià)值。”

　　使用這種方法，科學(xué)家們可以進(jìn)一步了解光和各種物質(zhì)的相互作用，特別是氣體在超低溫狀態(tài)下的量子物理習(xí)性。70年前，愛因斯坦假設(shè)過在超低溫狀態(tài)下幾乎停止運(yùn)動(dòng)的原子群（玻色－愛因斯坦冷凝物），現(xiàn)在他們用這種方法實(shí)現(xiàn)了愛因斯坦的假設(shè)。開創(chuàng)華裔科學(xué)家問鼎諾貝爾獎(jiǎng)先河的楊振寧教授說：“1925年，大物理學(xué)家愛因斯坦延續(xù)了印度科學(xué)家玻色的研究工作，提出‘玻色－愛因斯坦凝聚’理論，后來這項(xiàng)工作之所以能在實(shí)驗(yàn)上再展新局，朱棣文等人雖然沒有直接做出這種奇特的凝聚現(xiàn)象，但為后來的工作鋪了路。”我國的量子光學(xué)專家也認(rèn)為，從朱棣文等人的研究工作出發(fā)，有可能引申出稀薄氣體中的“玻色－愛因斯坦凝聚”，并由此而引出一個(gè)嶄新的領(lǐng)域——原子激光器的工作。

　　朱棣文的研究工作，不但使科學(xué)家獲得了一個(gè)新的研究手段，也將為人類帶來進(jìn)步。他在接受記者專訪時(shí)說：“這項(xiàng)成果可以找到大量的用途，這些應(yīng)用涉及到不同的領(lǐng)域，有材料科學(xué)方面的，也有對(duì)光與各種物質(zhì)相互作用的更為深入的研究。目前的應(yīng)用還只是原子領(lǐng)域中的極小一部分，還僅僅是冰山一角。”

　　當(dāng)原子被“抓住”后，不但原子的運(yùn)動(dòng)速度減了，而且原子也被“冷卻”了。據(jù)此，就可用來研制更精密的原子鐘，使原子鐘的精度可由10的-14次方提高到10的-16次方。這種新穎的原子鐘用于全球定位系統(tǒng)（GPS），能使全球的定位精度從現(xiàn)在的10米左右提高到小于1米的范圍內(nèi)。此外，各種重要的物理學(xué)數(shù)的測(cè)量精度也可由此而大幅度地得到提高。利用朱棣文教授開發(fā)的這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)，可以研制高靈敏度的原子干涉儀（也稱“原子陀螺”），用來更精確地測(cè)量地球表面不同地點(diǎn)重力加速度的變化，從而揭開地球上的許多謎團(tuán)，在石油勘探和找礦以及測(cè)定地球自轉(zhuǎn)速度和預(yù)報(bào)地震等方面，都具有重大的應(yīng)用前景。比如探礦，如果地下有礦藏的話，它的質(zhì)量要比土壤大，相對(duì)應(yīng)的重力也“大一些”。但這個(gè)所謂的“大一些”，僅僅只是大于相對(duì)應(yīng)的地表重力加速度的幾億分之一，用現(xiàn)在傳統(tǒng)的方法是根本測(cè)量不出，但采用“原子陀螺”就能測(cè)出，從而精確地判明礦藏的儲(chǔ)量和位置。

　　在生物科技方面，生物學(xué)家正在期望著盡早將朱棣文等人開發(fā)的“激光冷卻原子”技術(shù)引入人類基因組項(xiàng)目的研究中，因?yàn)榻忾_生物體的遺傳密碼，需要先對(duì)DNA進(jìn)行分段。科學(xué)家認(rèn)為，利用“激光冷卻原子”技術(shù)可以測(cè)量DNA片段的物理特性，這有助于推進(jìn)人類基因組計(jì)劃的研究。10年前，朱棣文和他的兩個(gè)同事發(fā)現(xiàn)，用激光束（“激光鑷子”）可以操縱浸沒在水中的細(xì)菌等極細(xì)微的物體?，F(xiàn)在他正用這種方法來研究單獨(dú)的分子聚合體。塑料、合成纖維和活細(xì)胞中的脫氧核糖核酸中都有這種聚合體。過去科學(xué)家們只能把幾百萬、幾十億的聚合體放在一起研究，而朱棣文的實(shí)驗(yàn)室則可以研究個(gè)體的聚合體。朱棣文和他的學(xué)生還用“激光鑷子”來研究蛋白質(zhì)在個(gè)體分子中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。從1993年到1997年，他們?cè)谶@方面的研究成果頗豐，有10篇論文發(fā)表在美國《科學(xué)》、《自然》等權(quán)威性刊物上。

　　此外，利用“激光冷卻原子”還可以對(duì)物理學(xué)基本規(guī)律進(jìn)行驗(yàn)證，如將采用“激光冷卻原子”制成的高靈敏度原子干涉儀放到空間的微重力環(huán)境中，就有可能最終驗(yàn)證愛因斯坦的廣義相對(duì)論?？茖W(xué)家還可以借此研究“原子激光”制造精密的電子元件；也可以測(cè)量萬有引力，進(jìn)一步發(fā)展太空宇航系統(tǒng)，進(jìn)行準(zhǔn)確的地面衛(wèi)星定位。科學(xué)家們普遍認(rèn)為，這的確是一個(gè)了不起的研究成果。

　　2、光纖激光陣列引入LHC

　　據(jù)國外媒體報(bào)道，一個(gè)國際科學(xué)家聯(lián)合小組設(shè)計(jì)了新的強(qiáng)大激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)有上千個(gè)光纖激光（fiber lasers）的陣列組成，可以用來在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行基礎(chǔ)研究和更加廣泛的應(yīng)用，如質(zhì)子治療和原子核嬗變。該研究發(fā)表在了最新一期的《自然光子學(xué)》上。

　　激光可以提供非常短暫的測(cè)量手段，可以精確到飛秒（10^-15），瞬間釋放的功率可以高達(dá)10^15瓦，是全球發(fā)電功率的上千倍。然而，阻礙高強(qiáng)度激光廣泛應(yīng)用的有兩個(gè)方面：一是高強(qiáng)度激光通常每秒只能發(fā)出一個(gè)脈沖，而實(shí)際應(yīng)用中則要求能提供上萬次脈沖；二是高強(qiáng)度激光能量利用率非常低，輸出的激光能量只是輸入電能的很小一部分，大部分以熱能的形式散發(fā)，在實(shí)際應(yīng)用中要保持穩(wěn)定的高功率輸出是非常不經(jīng)濟(jì)的。最新研發(fā)的這種“光纖激光”陣列不但能提供穩(wěn)定的光脈沖，而且能量利用效率也大大提升。科學(xué)家可以利用它研制一種緊湊型粒子加速器（Compact accelerators），可以在數(shù)厘米的距離上把粒子的能量提升到很高的水平，而傳統(tǒng)的粒子加速器的加速距離則高達(dá)數(shù)公里。當(dāng)今天的加速器體積做的越來越大，耗資越來越高的時(shí)候，這種用激光驅(qū)動(dòng)的加速器會(huì)越來越受到青睞，或許新一代LHC會(huì)采用這種手段。