光，也會擠在一起嗎？| 宇宙深處的玻色–愛因斯坦凝聚

作者| 郭冰昂 寇維 陳旭榮

要理解我們今天要講的這個故事，不妨先從一個形象的比喻開始。

想象你走進一個巨大的舞池。起初，人們?nèi)齼蓛桑魈鞯奈璨健械脑诮锹湫D(zhuǎn)，有的在中央搖擺，每個人占據(jù)著自己獨特的位置。

突然，隨著音樂節(jié)奏的變化，一件不可思議的事情發(fā)生了：所有人開始向舞池中央移動，腳步越來越近，最后竟全部擠進同一點，跳著完全一樣的舞步。整個舞池，變成了一個“超級舞者”。

這就是玻色–愛因斯坦凝聚——一種所有粒子“團結(jié)”到同一個最低能量狀態(tài)的奇妙量子現(xiàn)象。在實驗室里，科學家花了七十多年才真正實現(xiàn)它；而在宇宙深處，它可能一直都在發(fā)生。

那么問題來了：光子——這種我們每天都能遇見的“光粒子”——也能形成這樣的凝聚嗎？

歷經(jīng)了一個世紀的探索，科學家們認為，答案是肯定的。今天，就讓我們一起走進這個關(guān)于“光”的奇妙故事。

什么是玻色–愛因斯坦凝聚？

故事的起點，要追溯到1924年的印度。

那一年，達卡大學的講師玻色給遠在德國的愛因斯坦寄去了一封信。信中附了一篇論文，用一種全新的方式推導(dǎo)了黑體輻射公式——不是基于經(jīng)典的電磁理論，而是純粹基于光子的統(tǒng)計行為。玻色把光子當作“不可區(qū)分的粒子”，像數(shù)豆子一樣統(tǒng)計了它們在不同能量狀態(tài)上的排列方式。結(jié)果，他得到了和實驗完全一致的公式。

圖 薩特延德拉·納特·玻色 圖源| 維基百科

愛因斯坦立刻意識到這篇論文的重要性。他親自將它翻譯成德語，推薦發(fā)表，然后把玻色的方法推廣到物質(zhì)原子上，預(yù)言了一件極為大膽的事：當溫度低到一定程度，大量自旋量子數(shù)為整數(shù)的粒子（后被稱為玻色子）會突然“集體躍入”同一個最低能量態(tài)，形成一個宏觀尺度的量子態(tài)。

這就是玻色–愛因斯坦凝聚。這個預(yù)言太過超前。當時幾乎沒人當真——畢竟，誰能把原子冷卻到接近絕對零度呢？直到1995年，三位科學家才在實驗室里用銣原子氣體首次實現(xiàn)了玻色–愛因斯坦凝聚，并因此獲得了2001年的諾貝爾物理學獎。

圖 玻色 -愛因斯坦凝聚（ 左圖：玻色 -愛因斯坦凝聚出現(xiàn)前。中圖：玻色-愛因斯坦凝聚剛剛出現(xiàn)。右圖：幾乎所有剩余的原子處于玻色-愛因斯坦凝聚狀態(tài)。 ）圖源| 維基百科

光子的難題

那么光子，這種最常見的玻色子，能不能也形成凝聚？

表面上看，光子似乎是最容易形成凝聚的粒子——它天生就是玻色子，宇宙中無處不在。但細想之下，有兩個根本性難題擺在面前：

首先，光子的靜止質(zhì)量為零。按照通常的凝聚圖像，玻色子需要聚集在一個可定義的最低能量態(tài)。但對于質(zhì)量為零的光子，在真空中最低能量態(tài)就是"沒有光子"。如果讓光子冷卻，它們可能會直接被吸收而"消失"。就像試圖把風聚攏成一團——風一停，就什么都沒了。

其次，光子的數(shù)量不守恒。在普通環(huán)境中，光子很容易被吸收或發(fā)射。而玻色–愛因斯坦凝聚要求粒子數(shù)在過程中近似守恒，否則“擠在一起”就無從談起。

這兩個難題，讓光子凝聚在很長一段時間里被認為是“不可能完成的任務(wù)”。然而，經(jīng)過實驗物理學家近幾十年的努力，在實驗室內(nèi)通過巧妙的儀器和手段成功觀測到了光子在諧振腔內(nèi)的暫時凝聚。那么，不經(jīng)人為控制的凝聚是否存在于我們所處的宇宙中呢？

蘇聯(lián)物理學家的大膽猜想

1969年，兩位蘇聯(lián)物理學家——澤爾多維奇和列維奇——正在思考一個宇宙學問題。他們想象了這樣一個場景：在早期宇宙中，當高溫輻射（光子）穿過冷等離子體（電子）時，會發(fā)生什么？

圖 雅可夫 ·鮑里索維奇·澤爾多維奇 圖源| 維基百科

按照常識，光子會把能量傳遞給電子，自身逐漸冷卻。但他們追問了一個更深層次的問題：如果光子的數(shù)量在散射過程中近似保持不變，它們在冷卻的過程中，會不會“擠”到一起？答案是：會，而且這個過程非常精彩。

澤爾多維奇和列維奇從描述光子與電子散射的方程出發(fā)，發(fā)現(xiàn)了一個驚人的數(shù)學解：在低頻區(qū)域，光子數(shù)密度顯著增強，系統(tǒng)的化學勢(可以理解為是系統(tǒng)想不想讓更多粒子加入的“意愿程度”)趨近于零。這意味著，光子已經(jīng)可以毫無障礙地涌入最低能量態(tài)，這正是玻色–愛因斯坦凝聚形成的動力學前兆。他們還發(fā)現(xiàn)，這個過程并不是均勻發(fā)生的：不同能量的光子向低能區(qū)遷移的速度并不相同。能量越高的區(qū)域，如果光子越多，它們“掉下去”的速度反而越快。

這就像一條高速公路上的車流：所有車都想駛向最左邊的出口。但規(guī)則是：越重的車開得越快。結(jié)果，后面的快車會追上前面的慢車，造成“追尾”——在物理學家眼中，這就是沖擊波。

他們預(yù)言：在光子能譜中，也會出現(xiàn)沖擊波——一個能量區(qū)間內(nèi)光子數(shù)密度急劇變化的“陡峭前沿”。這是人類第一次提出，純粹的光子–電子散射，居然能產(chǎn)生類似海浪翻卷的沖擊波現(xiàn)象！

更妙的是，他們還計算了不同能量的光子“掉入”低能區(qū)所需的時間。離零能態(tài)近的光子先到，離得遠的后到。這意味著，光子凝聚是一個漸進堆積過程——你會先看到低能區(qū)慢慢積累起越來越多的光子，遠遠超出正常黑體譜應(yīng)有的數(shù)目。這正是光子凝聚的“指紋”。

現(xiàn)實世界的“搗亂鬼”

故事到這里，似乎很完美。但現(xiàn)實世界總喜歡潑冷水。在真實的宇宙環(huán)境中，還存在一個破壞性的過程：吸收。

當一堆光子向低能區(qū)堆積，可能會發(fā)生一種突然出現(xiàn)一個“黑洞”——不是真正的黑洞，而是一種叫作自由–自由躍遷的過程（也稱軔致輻射的逆過程），它會吃掉低頻光子，而且頻率越低，吃得越快。

澤爾多維奇和列維奇也考慮了這一點。他們發(fā)現(xiàn)，吸收和散射之間有一場激烈的“拔河比賽”：散射試圖將光子推向低能區(qū)，形成堆積；吸收則試圖吞噬低頻光子，阻止堆積。

這場比賽的結(jié)果取決于頻率。他們找到了一個臨界頻率，如果高于該頻率，散射占主導(dǎo)，光子能夠有效堆積。

因此，完全的玻色–愛因斯坦凝聚被抑制了。但在臨界頻率之上，仍然會觀測到顯著的低頻光子過剩。這是一個極其重要的洞見：即便存在吸收，只要散射足夠強，低頻過剩依然會出現(xiàn)光子的凝聚行為。

宇宙場景下的深化研究

澤爾多維奇和列維奇的論文，像一顆種子，埋下了之后半個多世紀的研究。后來的科學家沿著他們開辟的道路，一步步深化這些思想，并將其應(yīng)用到不同的宇宙場景中。

2012年，三位科學家（Khatri、Sunyaev 和 Chluba）進一步揭示了早期宇宙中兩種相反過程的競爭：光子凝聚傾向于使低能光子堆積，而Silk阻尼則通過能量釋放加熱電子。

他們發(fā)現(xiàn)，這兩個過程引起的光譜畸變，形狀完全相同，但符號相反——一個讓低頻區(qū)變亮，一個讓低頻區(qū)變暗。這意味著，如果兩者強度恰好相等，它們會完全抵消，宇宙微波背景輻射（CMB）的譜看起來就像什么都沒發(fā)生過一樣！

圖 宇宙微波背景輻射圖 圖源| 維基百科

這一發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要：CMB 的最終光譜畸變特征，直接反映了早期宇宙小尺度擾動的性質(zhì)。即便原始擾動已隨時間消逝，它們留下的“光譜指紋”仍能幫助我們重構(gòu)早期宇宙的演化過程。

2019年，兩項研究進一步拓寬了光子凝聚的應(yīng)用視野：Prakapenia 與 Vereshchagin 通過動力學模擬驗證了該現(xiàn)象在等離子體中的瞬態(tài)演化規(guī)律，并提出了實驗室驗證方案；與此同時，Titarchuk 與 Lyubarskij 利用相似理論改進了星系團模型，實現(xiàn)了對光學厚度和電子溫度更精確的觀測擬合。

后續(xù)的研究，都在不同的物理背景下，反復(fù)印證了1969年那篇論文的核心思想：在光子數(shù)近似守恒的條件下，光子與冷電子散射會導(dǎo)致低頻過剩；逆康普頓散射驅(qū)動光子向低頻遷移，形成可觀測的光譜畸變，并可能伴隨沖擊波結(jié)構(gòu)。

修正方程下的光子凝聚機制

在近期發(fā)表于（The Astrophysical Journal）的一項理論研究中，中國科學院近代物理研究所的科研團隊在這條道路上邁出了新的一步。

他們面對的問題是：澤爾多維奇和列維奇的方程，以及后來所有研究使用的經(jīng)典方程，都有一個共同的限制——它們只適用于低能光子和單次小能量轉(zhuǎn)移的散射過程。但宇宙中充滿了高能光子，比如X射線和γ射線。要研究這些高能光子的行為，需要一個更精確的方程。

于是，他們推導(dǎo)出了一個修正的Kompaneets方程（描述光子電子散射的動力學方程）。這個方程考慮了高能光子撞擊電子時的“反沖效應(yīng)”——就像打乒乓球時，如果你用力過猛，球拍也會向后震一下。同時，它保證了光子數(shù)在散射過程中的守恒。

基于這一方程，他們對系統(tǒng)進行了數(shù)值求解，通過計算光子與電子在反復(fù)碰撞下的能量演化，直接量化并揭示了光子能量分布隨時間發(fā)生畸變的過程。

這項研究發(fā)現(xiàn)：在光子數(shù)守恒的前提下，光子分布確實會向低能端聚集，最終在零能態(tài)附近形成堆積——這正是玻色–愛因斯坦凝聚的典型特征。

他們還分析了系統(tǒng)的熵（即無序度）變化，發(fā)現(xiàn)熵一直在增加，最終達到最大值。這說明，光子凝聚態(tài)是系統(tǒng)在熱力學上“最自然”的狀態(tài)，就像水總是往低處流一樣。

但他們也再次確認了那個“搗亂鬼”的存在。在實際宇宙環(huán)境中，雙康普頓散射和軔致輻射這兩個過程，會以比凝聚形成更快的速度吃掉低頻光子。因此，盡管光子凝聚在理論上成立，但在真實宇宙條件下，它難以長期穩(wěn)定存在。

圖 光子玻色–愛因斯坦凝聚過程 圖| 寇維

光子凝聚研究的宇宙學意義

你可能會問，為什么要花這么多精力去研究一個可能在宇宙中“看不見”的現(xiàn)象？其實，這背后有著深刻的宇宙學意義。

第一，這是對量子力學普適性的檢驗。玻色–愛因斯坦凝聚是量子力學最奇妙的預(yù)言之一。在實驗室里，我們已經(jīng)在原子氣體中看到了它。但在宇宙尺度上，它是否真的發(fā)生過？如果答案是肯定的，那意味著量子力學規(guī)律同樣主宰著宇宙中最宏大的過程；如果答案是否定的，那也同樣發(fā)人深省——為什么？

第二，這是解讀宇宙微波背景輻射（CMB）這本“歷史書”的關(guān)鍵。CMB作為大爆炸的余暉，其譜形不僅記錄了早期光子與電子間的能量流動，還保留了宇宙“消失尺度”的痕跡。極早期那些因聲波阻尼被抹平的小尺度擾動，雖在空間分布上已無跡可尋，卻能通過光子凝聚等過程轉(zhuǎn)化為特定的“光譜指紋”。捕捉這些光譜上的“畸變筆跡”，將幫助我們找回丟失的細節(jié)，補全早期演化史的邏輯拼圖。

第三，它為實驗室研究提供了新思路。不斷完善的理論框架和數(shù)值方法，可以為未來在實驗室等離子體中探索玻色凝聚行為提供新視角。想象一下這樣的場景：用高能X射線激光照射一片稠密等離子體，在微小空間里重現(xiàn)宇宙早期的過程。這種“實驗室天體物理”研究方法，讓我們可以在可控條件下檢驗理論預(yù)言，甚至可能催生出新的技術(shù)。

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盡管光子凝聚在真實宇宙中難以長期存在，但它留下的 “指紋”仍有可能被探測到。未來的探索主要有三條路徑：

第一條路：更精確地測量CMB的譜形。目前的實驗（如COBE/FIRAS）靈敏度大約是10-5，而理論預(yù)言的畸變量級是10-9-10-8——相差一千到一萬倍。新一代的實驗正在設(shè)計中，例如美國NASA提議的PIXIE（Primordial Inflation Explorer），其靈敏度有望達到10-8，剛好跨進理論預(yù)言的范圍。如果PIXIE或更靈敏的實驗得以實現(xiàn)，我們或許將第一次“看見”光子凝聚的信號。如果能探測到負的畸變（即低頻區(qū)比預(yù)期更亮），那將是光子凝聚的“確鑿證據(jù)”。

圖 PIXIE設(shè)計圖與logo 圖源| NASA

第二條路：在實驗室中模擬宇宙條件。用高能激光照射等離子體靶，創(chuàng)造“熱光子+冷電子”的環(huán)境，觀察光子是否向低能區(qū)堆積。這種實驗已經(jīng)在一些大型激光裝置上開始嘗試。雖然條件與宇宙大不相同，但物理規(guī)律是相通的。如果能在實驗室里重現(xiàn)光子凝聚，那將是對理論最直接的驗證。

第三條路：結(jié)合多波段觀測。光子凝聚的影響可能不僅體現(xiàn)在CMB上，還可能在其他天體物理現(xiàn)象中留下痕跡，例如星系團中的桑尼耶夫-澤爾多維奇效應(yīng)效應(yīng)、早期宇宙的21厘米輻射，甚至某些γ射線暴的譜形特征。把不同波段的觀測拼在一起，也許能拼出光子凝聚的完整畫像。

無論哪條路，未來十年都將是激動人心的探索期。隨著新一代實驗的推進，我們或許將第一次真正“看見”早期宇宙的光子凝聚。那將是對量子統(tǒng)計力學、宇宙學、等離子體物理學完美交匯的驗證。而這一切，都始于一個簡單的追問：

光，也會擠在一起嗎？

論文鏈接:

致謝：感謝北京師范大學高亮教授、上海交通大學劉當波副教授審讀本文并提出寶貴建議。

作者|郭冰昂 寇維 陳旭榮

編輯| 劉芳

審核| 尹經(jīng)敏

文章轉(zhuǎn)載自“中國科學院近代物理研究所”微信公眾號