玻愛凝聚態(tài)是個什么“鬼”

艾星雨

視之無形，聽之無聲，謂之幽冥。

——《淮南子·說山訓》

《幽冥》是美國Netflix公司在2016年12月推出的一部科幻戰(zhàn)爭電影。在這部電影中，美國國防部高級研究計劃局的一個科學家接受一項致命任務(wù)，帶領(lǐng)一隊精挑細選的三角洲部隊士兵進駐一個被戰(zhàn)爭摧毀的城市，這里游蕩著被稱為“幽冥”的神秘幽靈，它們無形無色，能在不經(jīng)意間造成大規(guī)模的傷亡。

難道是導演昏頭了，這明明是一部驚悚鬼片的題材，怎么會拍成了一部科幻電影呢？看到最后觀眾才會發(fā)現(xiàn)，其實這些神秘幽靈并不是鬼怪，而是愛因斯坦曾預言過的一種物質(zhì)形態(tài)。這又是個什么“鬼”？欲知詳情，且看本文。

玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)，比鬼怪還要難以理解

在電影《幽冥》中，馬克·克萊恩是效力于美國國防部高級研究計劃局的首席工程師，主要負責研發(fā)防御性的武器，比如超光譜護目鏡。一天，克萊恩接到一個新任務(wù)，說在東歐與叛軍作戰(zhàn)的特種部隊借助超光譜護目鏡看見了某些無法描述的東西，于是克萊恩當即飛往摩爾多瓦，與他同時抵達的還有中情局特工弗蘭·麥迪遜。美軍基地最高指揮官奧倫德將軍給他們看了超光譜護目鏡拍攝的視頻，一些似有若無的白色痕跡出現(xiàn)在畫面之中。將軍說，已經(jīng)有士兵因為這些來歷不明的東西而死去，死者的內(nèi)臟仿佛被冰凍住，然而皮膚卻留下了燒灼和腐蝕的痕跡。當?shù)厝苏J為，摩爾多瓦常年戰(zhàn)爭，死者眾多，怨氣叢生，這些神秘的東西正是被從地獄召喚來的“幽冥”。

在前往城市中部探查時，克萊恩他們找到了一名幸存的士兵，旋即與“幽冥”展開了一場近距離的遭遇戰(zhàn)。這些“幽冥”會爬樓，會穿墻，會飛檐走壁，在一般士兵眼里還是隱身的。它們的攻擊方式也很獨特，迅速地“穿”過人體，人就凍結(jié)后立刻死去。在克萊恩的超光譜攝影機里，那些“幽冥”呈現(xiàn)出乳白色的人形，散發(fā)著絨毛一般的微光，一旦奔跑起來，就會出現(xiàn)無數(shù)的疊影，仿佛連續(xù)拍攝高速運動的物體后再慢速播放的回面。

憑借淵博的科學知識，克萊恩推斷，“幽冥”并非傳說中的鬼怪，而是由玻色一愛因斯坦凝聚態(tài)構(gòu)成的神奇生命。

那么，這個玻色一愛因斯坦凝聚態(tài)到底是什么呢？光看名字的話，似乎比鬼怪還要難以理解。想要真正理解玻色一愛因斯坦凝聚態(tài)，需要從物質(zhì)的形態(tài)講起。

超低溫和原子氣體，這對死對頭折騰科學家很多年

眾所周知，物質(zhì)最常見的形態(tài)有3種：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。各態(tài)之間因為溫度、壓力等條件，是可以互相轉(zhuǎn)換的。比如水，常溫下是液態(tài)，低溫下是固態(tài)，高溫下又會變成氣態(tài)。如果溫度一直升高，升高到幾萬甚至幾十萬攝氏度，會發(fā)生什么樣的事情？物質(zhì)內(nèi)部的原子就會拋掉帶負電的電子，成為只帶正電的離子。這種現(xiàn)象就是氣體的電離化，電離化后的物質(zhì)（通常是氣體）叫“等離子態(tài)”，也被稱為“電漿”。等離子態(tài)是物質(zhì)的第四種形態(tài)，并且是宇宙中物質(zhì)最普遍的一種形態(tài)。這是因為恒星內(nèi)部的溫度和壓力都高到極點，構(gòu)成恒星的物質(zhì)幾乎都是等離子態(tài)，而宇宙中恒星的數(shù)量非常之多。

等離子態(tài)是極端高溫下的產(chǎn)物，要是溫度一直往下低、往下低，比如說，接近絕對零度（-273.15℃），物質(zhì)又會出現(xiàn)什么奇異的形態(tài)呢？

1924年，年輕的印度物理學家玻色給當時已經(jīng)譽滿全球的愛因斯坦寄了一篇論文，指出在原子尺度上我們根本不可能區(qū)分兩個同類原子（如兩個氧原子）有什么不同。而當時的主流觀點認為，在一個體系中所有的原子（或分子）是可以辨別的。玻色的論文引起了愛因斯坦的注意。他將玻色的理論用于原子氣體中，得出一個驚人的結(jié)論：在正常溫度下，原子可以處于任何一個能級，各不相同，但在溫度非常低時，大部分原子會突然跌落到最低的能級上，以至于看上去所有的原子都表現(xiàn)得一模一樣，就像一個大原子。

科學家將物質(zhì)的這一形態(tài)叫玻色一愛因斯坦凝聚態(tài)（簡稱“玻愛凝聚態(tài)”），是物質(zhì)的第五種形態(tài)。

實現(xiàn)玻愛凝聚態(tài)的條件極為苛刻和矛盾：一方面需要達到極低的溫度，另一方面還需要原子體系處于氣態(tài)?？墒?，極低溫度下的物質(zhì)會凍結(jié)為固態(tài)，無法保持氣態(tài)。這令科學家頭疼不已。

科學家先是找到了稀薄的金屬原子氣體，這種氣體不會因低溫而凍結(jié)，下一步就是要創(chuàng)造出接近絕對零度的條件。借助激光冷卻技術(shù)，科學家可以制造出與絕對零度僅僅相差十億分之一攝氏度的低溫。1995年6月，在玻愛凝聚態(tài)理論提出71年后，美國科學家康奈爾、維曼以及德國科學家克特勒在銣原子蒸氣中直接觀測到了玻愛凝聚態(tài)。這3位科學家也因此獲得2001年度諾貝爾物理學獎。此后，這個領(lǐng)域經(jīng)歷著爆發(fā)性的發(fā)展，世界上有近30個研究組在9種元素的稀薄原子氣中實現(xiàn)了玻愛凝聚態(tài)。

未來有大用，現(xiàn)在仍處于研究的初級階段

為什么玻愛凝聚態(tài)如此受科學家的歡迎呢？這是因為在接近絕對零度的條件下，玻愛凝聚體的原子開始聚結(jié)、交迭并逐步同步，形成物質(zhì)的全新形態(tài)，具有多種神奇的特性。

比如超流。液體和氣體具有一般流動性，而處于玻愛凝聚態(tài)的物質(zhì)具有“超流動性”：它可以無任何阻礙地通過連氣體都無法通過的極微小的孔或狹縫（寬度約十萬分之一厘米），甚至可順著杯壁往上“爬”出杯子。

比如超導?？茖W家很早就知道有些金屬在極端低溫的條件下會失去電阻，這叫“零電阻效應(yīng)”。同時，還會出現(xiàn)“邁斯納效應(yīng)”——當金屬處在超導狀態(tài)時，超導體內(nèi)的磁感應(yīng)強度為零，并把原來存在于體內(nèi)的磁場排擠出去。原來科學家并不知道為什么會這樣，現(xiàn)在他們知道了，其實就是那些金屬進入了玻愛凝聚態(tài)。知道了這一點，對于研究高溫超導體極有幫助。

通過對玻愛凝聚態(tài)的研究，還可以研究原子間的相互作用力、外場等對物質(zhì)凝聚過程及動力學的影響。這不僅對基礎(chǔ)研究有重要意義，而且在原子激光、原子鐘、原子芯片、精密測量、量子計算機和納米技術(shù)等領(lǐng)域都有非常好的應(yīng)用前景。玻愛凝聚態(tài)的研究也可以延伸到其他領(lǐng)域，例如，利用磁場調(diào)控原子之間的相互作用，可以產(chǎn)生類似超新星爆發(fā)的現(xiàn)象，甚至還可以用玻愛凝聚態(tài)來模擬黑洞，研究這種宇宙中最神秘的星體。

目前，玻愛凝聚態(tài)只在實驗室里極低的溫度下才能夠?qū)崿F(xiàn)，在地球上的自然界中還沒有發(fā)現(xiàn)。不過，不排除在宇宙的別處可能存在。

現(xiàn)實里，對玻愛凝聚態(tài)的研究還處在初級階段，還有很多秘密等著科學家們?nèi)ヌ剿?。而在《幽冥》電影里，有人已?jīng)把玻愛凝聚態(tài)作為武器來研發(fā)了。

察覺到所謂的“幽冥”其實是玻愛凝聚態(tài)的人形武器后，克萊恩進一步查出，所有的“幽冥”都來自馬薩羅維核電站，因為想要制造玻愛凝聚態(tài)，需要近乎無窮的能量。既然“幽冥”是超低溫制造出的玻愛凝聚態(tài)，那么用超高溫的等離子態(tài)就可以瓦解。于是，克萊恩帶領(lǐng)士兵制造出一大批等離子武器，然后趕去馬薩羅維核電站。

克萊恩等人深入核電站，發(fā)現(xiàn)這里已經(jīng)被摩爾多瓦叛軍改造為武器研發(fā)基地。他們對人體進行精細到原子的掃描，再用玻愛凝聚態(tài)的材料通過3D打印機打印出來，這就是“幽冥”的來歷。但是研究失控，“幽冥”逃出了核電站，而所有工作人員都在混亂中被殺死。這時，更多的“幽冥”逃出了囚籠，加入到外邊的激戰(zhàn)中，使戰(zhàn)局越來越不利于人類。關(guān)鍵時刻，克萊恩啟動了自毀程序，切斷了“幽冥”的能量來源，于是那些“幽冥”戲劇性地失去了玻愛凝聚態(tài)，先是僵化，繼而化作無數(shù)的粒子消失在空氣中。

（責任編輯：白玉磊 責任校對：夏越）