9、极端环境之低温（1 / 1）

如果让我们去评选物理学史上那些影响深远的优美思想，那么相信德布罗意的物质波概念一定会榜上有名。德布罗意波将一些看似完全无关的东西联系起来了。它首先联系了波与粒子的概念，发现它们是同一个事物的两个不同侧面；它同时还将光与普通物质联系起来，光与一块石头看上去完全不同，好像没有什么相似的地方，但是它们都是德布罗易波，遵从几乎相同的规律，最主要的区别就是石头有静止质量而光没有。而一个物理系统怎样表现出不同于经典理论的量子效应，以及量子效应达到多大程度，则基本取决于物质波之间的干涉程度。那为什么在我们周围的这个普通的宏观世界基本看不到多少奇妙的量子效应呢？那是因为在通常的环境中，系统与环境之间的相互作用会导致严重的退相干现象。为了通俗的理解退相干概念，我们可以想象粒子的能量和物质波频率之间的德布罗意关系，频率和能量成正比，而且粒子的能量中很大一部分是相对论的静止能量，因此对应的物质波频率是很高的。然后结合海森伯的能量（或频率）与时间的不确定关系，就可以估算两个粒子对应的物质波之间相互干涉的相干时间。我们立刻就能发现，要维持足够长的相干时间，从而保证足够明显的量子效应，是需要极为苛刻的条件的。

首先，不同的粒子之间，例如质子和电子之间由于静止能量（或频率）的巨大差异，它们之间几乎不可能相互干涉。其次，全同粒子（例如两个原子或电子）之间也只有在动能和传播方向几乎相同的情况下才会产生干涉并能维持足够长的相干时间，而且粒子的干涉会很容易在外界的干扰下退相干。因为假设两个相干涉的粒子中的一个被某个光子或电子碰撞，其动能就会发生显著的改变，从而造成退相干。

这也就解释了常温下的宏观系统要保持相干性从而显示量子效应为什么这么困难。常温下的理想气体服从麦克斯韦速率分布，各分子间的动能并不一致，而常温下的液体或固体分子其动能也各不相同，更何况一般情况下，系统还与外界环境存在热交换、物质交换等相互作用。因此，为了让系统中各粒子具有几乎相同的能量，从而表现出物质波的干涉效应，最简单、最行之有效的方法就是降低温度，也就是降低各粒子的热运动。

当昂内斯第一次将最后一种气体氦气液化的时候，他应该不会想到他打开的是一扇怎样的大门，在这扇门后是怎样一个奇幻诡异的世界。当然，不久之后他就发现了这个世界的冰山一角，他率先发现了汞在低温下的超导现象。之后的低温物理学越来越丰富多彩，先后发现了液氦的超流、低温原子的玻色爱因斯坦凝聚、低温凝聚态物理、超导约瑟夫森效应以及整数和分数量子霍尔效应等，而激光与低温冷原子的相互作用理论则在越来越热门的量子通讯、量子计算以及量子模拟中大显身手。

如果我们来到这样一个接近绝对零度的低温世界，我们会发现，周围的一切不再熟悉，它并不是经典物理学领域的各类概念在低温端的简单外推，由于所有的低温粒子有很长的德布罗意热波长，量子效应也格外明显，粒子之间有很强的统计关联，表现出明显的波动特征。这里没有粒子的经典轨道，没有确定的坐标和动量，没有经典力学的种种束缚，它们在彼此的相互干涉中融化为一个整体，彼此相互叠加、隧穿、纠缠。低温环境赋予它们摆脱退相干魔咒的力量，将量子的力量发挥的淋漓尽致。

我们想要从低温世界中获得一些启示，一些指引我们走出旧世界，发现并熟悉新领域的方法。在这里我们看到，我们的经典理论是一个优美的，逻辑自洽的理论框架，甚至曾经以为这就是全部，可是新的实验让我们知道，一个逻辑自洽的优秀理论不一定能包含并解释所有的现象，而问题一般总是出现在概念和逻辑上，它要求我们需要细心的检验每一个概念和逻辑的适用范围，而新的突破往往就在于对旧的概念和逻辑适用范围的限制，以及新概念和新逻辑的创造。或许在不久的将来，我们可以循着理论和实验中的蛛丝马迹，创造性的提出可以和德布罗意物质波媲美的新概念，或者和互补原理一较高下的新逻辑，从而突破现有的理论框架，发现新的天地。

低温世界的一系列新发现再一次让我们看到了极端环境实验的重要性。极端环境不止一次的挑战着我们可怜的逻辑，当我们将常规世界中总结出来的逻辑推广到未被验证的极端环境时，很难保证逻辑推理不会出岔子，因为逻辑来源于经验，也仅仅是因为经验确实是这样的，我们的逻辑才能行得通。低温实验不过是让我们获得新的经验，从而总结并建立新的逻辑而已，尽管新的逻辑或许难以理解甚至匪夷所思，但是我们需要习惯这些怪逻辑。因此我们在某种程度上不得不应用休谟的怀疑论观点，只有经过实验验证的东西才是可靠的，而逻辑也必须建立在这些事实的基础上，否则逻辑简直可以天马行空，不受任何限制。例如我们可以说用火烧水，水的动能会降低，因此烧水会导致水结冰，尽管在逻辑上都能讲的通，而且只要深入思考，可以建立一些逻辑上完全自洽的完整的理论体系，可是这些体系要么会被实验否定，要么可能无法验证。所以，验证一个理论体系是否科学，我们还是应该奉行波普尔的可证伪性的观点。

在这一次的极端旅行中，我们又一次看到了基本原理或基础概念的威力。许多传统的经典概念在极端世界被拆的七零八落，而那些更基本的概念例如波粒二象性、波的叠加原理等则经受住了严苛的考验，再一次刷新了自己的适用范围，这也为我们探索未知领域，做出新的预言提供了启示。