埃里克 · 科内尔（Eric Cornell）说，在他和他的同事把物质一种新的形态引入到这个星球上的最初几天里，他们的这项成就并没有得到真正的理解。“我开始时觉得不知所措”，工作在科罗拉多州波尔德（Boulder，Colorado）的国家标准技术研究所的物理学家科内尔说，“一直到此后的第三个夜晚我还无法入睡，整夜在想，‘天啊，这的确发生了’。”

6月5日上午，科内尔和他的同事卡尔 · 维曼（Carl Wieman）——科罗拉多大学的一位物理学家——设法创造了一种称之为玻色-爱因斯坦凝聚质（Bose-Einstein condensate）的物质，它是一种原子处于近乎静止状态但密度极高温度极低（180 nk，即只比绝对零度180×10^-9 K）的气体。当原子运动减慢并停止时，描述每个原子的量子力学波也就扩散并消失，直到整个气体被锁定在同一个量子态上。这样，原子便失去其个性而成了一个整体，玻色-爱因斯坦聚质之于物质就像激光束之于光一样，通常是一种由量子力学微观定律支配宏观系统行为的相干态。

15年来，观察在大范围内起作用的不明确规律的可能性，激励着人们通过捕捉并冷却由磁力或光所构成的笼子中的原子，去探索创造这种非天然的神秘物质。科内尔和维曼的成功，由他们拍摄到的位于捕集器中心铷原子的一种微小的稳定结点照片所证实，终于打开了实现这一愿望的道路。

同时，这一成就也打消了困扰人们多年的疑惑。由于自然界不断地阻挠人们利用设计非常巧妙的方案去获得玻色-爱因斯坦凝聚质所需要的温度与密度，科内尔说，“人们想知道是不是存在某种理由使得玻色-爱因斯坦凝聚质不像通常所理解的那样。”譬如，就连近年来最为人们看好的冷却技术也因捕集器中心超冷原子的微小泄漏而处于困境。维曼和科内尔及博士后麦克尔 · 安德森（Michael Anderson）和研究生贾森 · 恩谢尔（Jason Ensher）与麦克尔 · 马修斯（Michael Matthews）一起，通过找到一种堵住泄漏的方法，使这些怀疑不复存在。“这是一项惊人的发现”，丹 · 克勒普纳（Dan Kleppner）——一位在麻省理工学院（MIT）从事该项研究的资深原子物理学家——说，“它使你大吃一惊。这一首次证明是绝对清晰和令人信服的。它几乎就像教科书那样明白。”

这一目标是70年前提出的，当时爱因斯坦在印度物理学家S · N · 玻色工作的基础上，首次预言了物质的这种新形态。然而，这种物质具有什么性质甚或它看起来像什么，无论爱因斯坦还是他的后继者都无法确切地说出。但是，研究该物质的前景是如此地具有吸引力，以至于自从原子捕获及原子冷却技术成熟到足以使玻色-爱因斯坦凝结成为可能时，创造该物质的一个友好竞赛就开始了。

每个研究小组都有各自的拿手技术以及拿手材料——要么是氢原子，要么是像钠或铷那种被称为碱金属的原子——但实际上每个实验都建立在其竞赛对手成功的基础之上，而且事实上该领域中的每一位研究者都曾经在克勒普纳或他的学生戴维 · 普里查德（David Pritchard，也在MIT工作）的实验室里工作过。

例如，维曼在去斯坦福大学之前就曾作为MIT的大学生和克勒普纳一起工作过两年，然后在1984年他转到了科罗拉多大学，克勒普纳自己研究玻色-爱因斯坦凝聚质的策略则是把氢原子冷冻，然后用磁场将其捕获并让较热的原子逃离捕集器，结果只留下较冷的原子，该技术称为蒸发冷却。一直到去年，这种方法还似乎使克勒普纳和他的同事汤姆 · 格雷特（Tom Greytak）在实现玻色-爱因斯坦凝结的竞赛中处于领先地位。

但是在科罗拉多，维曼采取了一种称为激光冷却的更具竞争力的技术，该技术对碱金属原子最为有效。与克勒普纳的冷冻装置相比，激光冷却极为便宜而且非常简单，它通过光子轰击原子而工作。把激光器的工作频率调得稍低一些，使处于静止状态的原子无法吸收能量。但是，当原子迎着激光器运动时，由于多普勒频移，在原子看来光的频率增大了，这样光子打个正着，从而减缓了原子运动并使之冷却。

尽管激光冷却可以把原子冷却到距绝对零度百万分之一度之内（该温度已比克勒普纳和格雷特同氢原子所得到的温度低得多），但是它还不能与已经达到的密度相匹配。玻色-爱因斯坦凝聚后需要更低的温度或更高的密度或是二者兼之。然而维曼想出了一种可能的解决办法 :如果首先对铷原子进行激光冷却，然后像克勒普纳和格雷特所做的那样，再对其进行蒸发冷却，那么就有可能达到玻色-爱因斯坦凝聚质的临界点。当科内尔——普里查德原来的学生——于1990年加入到他的研究中时，他们便开始着手实现他们的计划。

为了让这两种冷却技术成功地结合起来，把已经用激光冷却到十万分之几开的原子转到一个磁捕集器里。只要原子的磁轴都指向同一方向，捕集器就可以用一个四极磁场将其捕获，该磁场在捕集器的边缘很强，但在其中央却减弱为零。最热的，也就是运动最快的原子允许其逃离，而较冷的原子则留了下来。这种方法可以把原子的温度再降低5倍，而且由于原子都集聚在中央，它还能增加原子的密度。

这是一个好消息。但是，一年前在加利福尼亚州安那海姆（Anaheim，California）的一次会议上，科罗拉多小组和其它同样使用这种混合方法的小组——其中包括由沃尔夫冈 · 凯特尔（Wolfgang Ketterk）领导的MIT小组——也面临着一个坏消息，即捕集器中央的磁场为零。最冷的原子确实像所预言的那样聚集在捕集器的中央，但是因为那里没有磁场使其排列整齐，于是它们泄漏掉了，这样使得研究者距达到玻色-爱因斯坦凝聚质的温度-密度临界值还差4个数量级。

凯特尔提出了一种改进方案：用一束激光瞄冷零磁场点，把任何想接近此点的原子排斥开。凯特尔的插入激光捕集器确实可行，但不如科内尔提出的方案有效，至少没有后者来得快 · 而这种方案凯特尔甚至称为“极品”。

科内尔只是在原有的捕集器上简单地增加了第二个磁场，该磁场使得原来的零磁场点绕一个圆周旋转，这也是科内尔和维曼称其结果为TOP（时间轨道势，Time Orbiting Potential）捕集器的一个原因。维曼说：“TOP捕集器只不过把零磁场点从中央撤下来并使其旋转，这样你所得到的均在这一死亡轨道上。只要原子冷得足以停留在捕集器的中央，并且不能逃离并进入死亡轨道，那么它们就永远停留在那里，这样你就可以一直使它们冷却下去。”

5月底，研究人员确信他们已经能够达到创造玻色-爱因斯坦凝聚质所需要的温度和密度，但是他们还没有想出怎样去观测，假如他们确实制出了玻色-爱因斯坦凝聚质的话。玻色-爱因斯坦凝聚质是由直径10微米的球体内的几千个原子构成的，这一尺寸实在是太小了，以至于他们无法观测原子的速度是否降到了实现玻色-爱因斯坦凝聚质的程度——“我们所能看到的只是一个微小的斑点”，维曼说。

解决这一问题的方法是使用他们所称的冲击展开法（ballistic expansion）：打开捕集器，让原子自由地飞离开。科内尔说：“我们等上一会儿，让原子云长大些，然后我们利用激光给原子云照张像"。这是个扩展的原子云结构，他说，它揭示了捕集器被打开之前原始原子云的速度分布、较热的原子也扩散开来，然而在其中央，原子的密度急剧增加，这就是一直到捕集器被打开时还存在玻色-爱因斯坦凝聚质的遗证。

总之 · 这就是实现玻色-爱因斯坦凝聚质的原理。6月5日，所预言的密度峰值在实验用的显示屏上出现了。科内尔说："实验结果是如此地接近于我们的预言，以至于我们在开始的时候还有些怀疑。”现在他所有的疑虑都消失丁。当问到他和他的同事是否可能会错时，科内尔直率地说，“我希望不会”，随即他义更正说，“不。实验数据非常清楚。我们300个小时没有进行数据平均。我们只不过是在愉快地说服我们自己去观测我们所想观测的东西。”

的确，最初的图像似乎澄清了一些关于玻色-爱因斯坦凝聚质可能是什么样子的猜测。首先，维曼说：“形成它需要几秒钟时间，在此之后就会出现一些有趣的物理现象，但是，其中最吸引人的一个有待解答的问题是 :玻色-爱因斯坦凝聚质看上去像什么样子？与普通物质相比，那些波函数消失了的原子应该以极为不同的方式与光波发生相互作用，但是理论家们关于结果的预言却是各式各样的。维曼说：“借助于让物质在我们看到之前影像扩大的方法，我们已经改进了全部结果。”而且，他说 · 现在可以非常容易地将一束激光在其扩大前照射到被测物质上，并能观测究竟发生了些什么事情。

他又补充说，这仅仅是他们打算进行更为仔细研究的开始。“玻色-爱因斯坦凝聚质的上千个原子是一个很大的基团，而且我们还能做出更大的。”这样我们将会拥有一大块由许多小凝块组成的可以用来研究这种新材料的凝聚体。

科内尔和维曼并非唯一从事这项工作的研究者。也许还有其它若干实验也到了创造出玻色-爱因斯坦凝聚质的边缘，由于受到科罗拉多小组成功的鼓舞以及此方法的较少资金投入。其它一些研究小组也有可能加入到这一行列中。用大约5万美元购置硬件，再加上几个月的辛勤劳动，以现代物理学的标准来衡量，维曼和科内尔的装置便宜得令人吃惊。“我们利用造价低廉且原理简单的技术来努力进行这方面的研究工作”。维曼说，“所以如果这种技术确实可行的话，那么它将开创一个新的领域。”

[Science，1995年7月14日]