MEM工程管理硕士，咨询了下，MEM是跟着MPA/MBA一起联考的。但是，这个有报考专业的限制吗

是美国

21世纪是创新经济的时代，新技术、新发明及其产业化发展的周期大大缩短，科技进步推动经济增长的作用大大增加，计算机、通信和存储信息技术的集成与广泛运用，有力地改变了人类社会的技术基础，加快了全球一体化的进程。这些技术不仅为社会提供了新的财富形态和发展动力，突破了依赖稀缺自然资源和地理条件实现经济增长的传统模式，而且对科技发展和构建国家创新体系提出了更高的要求。在人类历史上知识资源首次成为创造财富的核心。因此，任何一个国家如果想在日趋激烈的综合国力竞争中赢得主动，就必须加大科技发展力度，积极构建国家创新体系，抢占高科技产业化发展的制高点。在这方面，美国的做法和经验对我国具有重要的借鉴意义，值得认真研究。

一、美国的科技政策与科技体系

美国是当今世界科技最发达的国家，拥有世界上最庞大的科学家、工程师队伍。20世纪90年代，美国有35位科学家获得了自然科学类的诺贝尔奖，占总数的61%。在世界公认的四大科技文献检索系统中，美国发表的论文数占到了总数的近40%。美国还是世界上拥有专利最多的国家。此外，美国的科研设备和科研手段、科研水平与潜力、高科技产业发展也均居世界领先地位。

1.美国的科技政策

美国是市场经济国家，20世纪40年代以前，政府很少介入科学研究，而把这项工作主要交给市场来调节。第二次世界大战爆发后，出于战争的需要，美国政府开始广泛地介入科学研究和技术发展。1940年，罗斯福总统批准成立了国防研究委员会，一年后改为科学研究与发展局，由科学家V·布什出任局长。V·布什在1945年发表的报告《科学：无尽的前沿》，已成为美国国家科技政策的经典之作。在这个报告里，V·布什分析了科学技术发展的革命性意义及其对国家安全的重要作用，指出“政府应该承担起促进新科学知识传播以及从青年人中培养人才的新责任”。他主政科学研究与发展局的一项重要成就就是组织并实施了制造原子弹的曼哈顿计划，并通过实施该计划，创建了一批重要的研究机构，确立了政府把研究工作安排给私人部门，通过政府、企业和民间研究部门互动，实施国家科技计划的美国机制。

冷战时期，美国政府进一步加强了国家的技术开发工作，并把重点倾斜到国防、原子能和航天航空领域。到了20世纪90年代，面对冷战结束后世界经济竞争日趋激烈的新形势，克林顿政府强调国家安全的重心已经转移，今后国家安全取决于经济和技术的整体实力，要维持美国的霸权地位，必须把保持美国科学研究和教育的优势置于最重要的地位。在克林顿总统和戈尔副总统合著的《科学与国家利益》中，更是形象地把技术进步比做经济增长的发动机，而科学研究则是发动机永不枯竭的燃料，明确提出了“保持在所有科学知识前沿的领先地位；增进基础研究与国家目标之间的联系；鼓励政府、产业部门和学院的合作关系以推动对基础科学和工程学的投资，以及有效地利用物力资源、人力资源和财力资源；造就21世纪最优秀的科学家和工程师；提高全体美国人的科学和技术素养”五项科技政策的主要目标。围绕上述目标，克林顿政府进一步加大了全美科技投入力度，制定了R&D（研究与开发）经费达到GDP的3%左右的指导性计划，鼓励产业界、学术界和各种社会力量共同参与科技发展。政府在全面指导协调的同时，一方面大力推行“先进技术计划”，鼓励基础研究成果向商业化产业化转化，另一方面注重发展基础研究和市场机制调节不到而又至关重要的科技项目，从而增强了美国科研潜力，进一步强化了科技作为经济发动机的作用，推动了美国的经济增长。

2.美国的科技体系

按照三权分立原则，美国的科学技术是由宪法和法规来规范的。国会中参议院的商务、科学和交通委员会，众议院的科学、空间和技术委员会在国家科技政策制定中发挥着重要作用。美国政府中没有专门的科学管理部门，总统通过白宫科技政策办公室和总统科技顾问协调全国科技工作。1993年，联邦政府为了强化政府的领导职能，成立了国家科学技术委员会，由总统兼任主席，由政府各主要部门领导共同组成。同时，还成立了总统科学技术顾问委员会，吸收学术界和产业界的人士参与科技决策。在政府各部设有负责科技事务的司局，并由一名副部级领导分工负责。政府还成立了一些管理科技工作的独立部门，如环境保护署、国家科学基金会等。此外，美国国家科学院、国家工程院、医学研究院以及史密森氏学会等半官方、非官方机构在科学技术的研究、普及和发展方面也有很大影响。

在科技创新方面，根据1988年《贸易和竞争法》设立的国家标准与技术研究院发挥着重要作用。该院通过设立区域制造技术转移中心，组织研究机构与企业共同实施先进技术，促进政府与企业间的合作。目前，全美各州都设有此类中心。

在运行机制上，政府的科技计划和预算，须报经国会两院审议并通过，经总统签署后，方能生效。而政府根据法律，并通过科技计划、经费预算、订立合同以及组织评估，对全国科技活动实施组织和领导。与科技活动直接相关的立法，最重要的是1976年国会通过的《国家科技政策、组织和优先法》，到目前这部科技基本法已进行了多次修改。

美国在法律上把所有的机构分为三大类：政府机构、非营利机构和营利机构。联邦和州的法律对这三类机构的规定，如《政府机构与雇员法》、《模式非营利机构法》等，对科技部门都是有效的。此外，税法、专项法中有关科技的部分，也适用于科技部门。其中值得指出的是，美国的专利系统及知识产权方面的法规在鼓励发明者对其专利进行开发、利用方面发挥着重要作用。

美国的科技机构可以划分为四大系统：联邦政府系统、企业系统、高等院校系统和其他非营利系统。在美国联邦政府系统内，国家实验室是主要的科技骨干力量。其中著名的有新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室、田纳西州的橡树岭国家实验室、佛罗里达州的肯尼迪航天中心等。目前全美大约有800个国家实验室，年度经费约占政府R&D总经费的1/3。美国政府十分重视联邦实验室科技成果转化问题，通过各种法案鼓励技术成果向产业界转移。

企业的科技工作在全美占有重要地位。大约3/4的R&D工作是企业部门完成的，3/4的科研人员分布在企业科研单位，这里还吸纳了全国60%以上的R&D总经费。在企业研发工作中，大型企业发挥着重要作用，其中贝尔实验室等享有盛誉。20世纪70年代以来，中小企业的科技开发作用也显著增加，特别是在科技工业园发展中，中小企业及其技术创新活动起了决定性作用。

大学是美国从事基础研究的主要基地。在全美3000多所高等院校中，拥有研究生院的综合大学有300多所，其中麻省理工学院、斯坦福大学、哈佛大学、普林斯顿大学、康奈尔大学、加州大学伯克利分校、加州理工学院等研究型大学更是科学研究的佼佼者。由于美国高等教育和研究的经费来源分散，各大学为争取教员、学生和研究基金而充满了竞争，同时也形成大学与工业紧密联系的传统。

二、美国科技创新体系的缩影——硅谷

自20世纪50年代起，随着信息与通信技术、生物技术、新材料、新能源、航空与航天以及海洋技术等高技术的兴起和发展，美国的工业企业、大学和政府部门为了更便利地利用大学的研究力量，开始在大学周围建立从事高技术研发的实验室，进而派生出了创业公司，形成了高技术产业聚集带，成为高技术工业园。其中著名的有西部后来被称为硅谷、依托斯坦福大学的“斯坦福研究园”，东部波士顿城郊、依托麻省理工学院的128号公路地区等，这一趋势至今方兴未艾。但是由于种种原因，不少园区中途夭折，或一蹶不振，只有硅谷始终引领着世界高技术产业发展的潮流。

硅谷位于加利福尼亚州北部，北起圣马特奥县，西至圣克拉拉县，是一块1500平方英里的狭长地带，中心在帕拉阿托，人口250万。经过40年的发展，硅谷目前已成为美国重要的信息科技产业和生物科技产业聚集地。到20世纪90年代，硅谷的研发人员已占劳动力总数的11%，是全美国平均水平的2.5倍。1999年，硅谷雇员人均创造价值11.5万美元，而同年美国的平均数字是7.8万美元。1999年，硅谷首次公开上市的企业达到72家，有130亿美元的风险投资涌向这一地区，占美国风险投资总额的1/3。此外，硅谷还不断创造着财富聚集速度的世界记录，与传统企业的长时间苦心经营相对照，达到10亿美元的市值，雅虎仅用了两年时间，而Netzero更是只用了9个月的时间。通过这些急剧升值的企业，硅谷培养出了一大批知识型的亿万富豪。

持续不断创新是硅谷取得成功的最大诀窍。技术创新，创业企业家、创业精神和创业企业，制度环境以及支持系统的有机组合，使硅谷始终保持着旺盛的活力，领导着世界高科技产业的发展。

1.技术创新

硅谷成功地抓住了20世纪50年代以来世界信息产业四次技术浪潮的机遇，稳居IT业潮头。第一次是20世纪50年代，惠普等公司借美国国防工业对电子产品的大量需求的东风，促进了企业的快速扩展，建立了硅谷的技术基础设施和支持行业。第二次是1959年集成电路的发明，导致了20世纪六七十年代半导体工业的急剧增长。快捷、英特尔、AMD和国家半导体公司等著名企业就是在这个阶段出现的。第三次是20世纪70年代中期以来，个人计算机的产业化发展，硅谷又走在前面，涌现出苹果电脑等20家计算机公司以及更为复杂的以太阳微系统等公司为主导的工作站产业。第四次是互联网。1993年互联网的商业发展和万维网的创立，为硅谷开辟了新的发展前景，网景公司、思科公司和3com公司已成为互联网革命的领导者。同时，20世纪90年代以来，随着生物技术的突破，生物科技产业已成为新的高科技产业热点，硅谷又以其特有的敏感性和优势吸纳了生物科技企业在此落户。到1998年，硅谷的生物技术市场资本总额已居全美第一位。

2.创业企业家、创业精神和创业企业

硅谷的实力建立在高新技术基础上，但是这里没有囊括全部的高科技成果，就连IT业中的国际互联网技术也是在别的地区率先突破的。因此，硅谷的与众不同之处并不仅仅在于高新技术。这里汇聚的创业企业家、创业精神和创业企业同样发挥着至关重要的作用。硅谷成功的企业家中除了才华和能力外，还有一个共同的特点，就是具有昂扬的创业精神和在第一时间将新产品、新工艺、新方法引入产业化生产、引入市场的勇气。惠普、苹果、雅虎等企业均是由两个白手起家的年轻人创建的，这些例子并不是巧合。创业企业家们不仅具有高科技的背景，而且有通过创建企业向全世界推广新技术的强烈愿望，对他们来说，创建企业的过程以及与整个世界共享新技术成就的远景才是创业的真正理想所在。此外，创业企业结构灵活、前景远大、回报率高、主体意识强等特点也进一步激发了企业家们不拘一格的创新意识。创业企业家聪明才智与创业精神的有机结合，是造就硅谷辉煌的决定因素。

3.鼓励创新的制度环境

美国有一套全国性的法律以及证券、税收、会计、公司治理、破产、移民和研发等规范。它们是分权和分散的，但是又有紧密的联系和很强的互补性。这个体制以市场为导向，鼓励竞争，特别是鼓励创新企业。比如，在欧洲建立一家公司平均所耗时间是在美国所需时间的12倍，而且成本高3倍。同时，与绝大多数国家相反，美国根据反垄断法，一直约束着市场上的大公司，比如在计算机行业对IBM和微软的约束。此外，政府还通过制定公司运营规则、购买公司产品、资助研发经费等形式推动了以硅谷为代表的计算机产业发展。最后应该指出的是，尽管美国一直标榜贸易自由，但是在20世纪80年代中期仍是通过向日本施压以保持美国半导体在日本市场的份额。

4.专业化的创新支持系统

在硅谷，为新的高技术企业提供的支持服务应有尽有，包括风险投资家、银行家、律师、猎头公司、会计师、咨询顾问以及大量其他专业人员。其中风险投资业发挥着举足轻重的作用。高技术企业不同于拥有许多真实资产的传统企业，它的主要资产是创意、人力资源、技术与市场知识，更具有风险性。同时，由于高技术的飞速发展，时间对于创业企业抢占产业制高点尤为重要。硅谷成功的一个重要条件就是有一个了解技术并知道如何进行结构化交易和投资组合、为创业企业提供快速融资的风险资本行业。思科公司、基因技术公司、英特尔、太阳微系统公司以及雅虎等成功企业都是在风险资本的支持下快速成长起来的。风险资本也从成功的高技术企业中赢得了巨额回报。1998年，硅谷的信息技术和生命科学两个主要产业中共有1824家企业吸纳了125亿美元的风险投资。

此外，自由流动的高质量劳动力，鼓励冒险、容忍失败的社会氛围，开放的商业环境以及产、学、研之间的互动等也都在硅谷的发展中起到了重要的促进作用。

题图来自：视觉中国

“三十年河东，三十年河西”，这个比方用在香港和深圳之间再贴切不过了。30多年前，与香港一河之隔的深圳还是个人口不过百万的小渔村，而香港已经是全球知名的国际都市，金融中心，最开放的自由贸易港，集装箱港口货运吞吐量位居全球前列。

30多年后的今天，深圳的GDP达到2.2万亿，将人民币汇率大幅上升的因素考虑在内，深圳已超过广州，超过香港是大概率事件。昔日的小渔村已成长为中国硅谷，创新之都，高精尖加工制造业基地，金融重镇，上市公司云集，全球第三大集装箱港口，人口超过2000万。

被泛政治化束缚手脚的香港，推进改革困难重重，面临产业空心化的困境，传统服务业与金融业的优势正在被稀释，经济增长缺乏新的引擎。李嘉诚全面撤离香港市场成为了香港空心化困境的标志事件。而深圳发展到今天，不仅步调稳健，活力十足，在生物工程、人工智能、移动互联网、物联网等诸多领域开始具备全球市场的话语权。

今天的深圳还远不是这个年轻城市的巅峰状态，在十三五的顶层设计下，它还肩负着更多的使命。从接轨全球的前海现代金融服务实验区的设立，自贸区的落地，新一代信息技术产业，新材料产业、新能源产业、生物产业逐渐成型，到以无人机、机器人为代表的人工智能产业多点开花，深圳在未来十年要充当粤港澳大湾区发展的核心引擎，在珠三角地区带动周边城市形成互动发展。

在中国向全球经济第一大国冲刺的过程中，深圳将扮演内地与全球经济新的超级联系人角色。用炒房圈流行的“玩笑”来形容未来珠三角的城市格局，“以后深圳周边的城市包括香港在内，都叫环深区域。”

从“做苦力”起家到“腾笼换鸟”的涅槃

没有生活在深圳的人，旁观的是深圳速度，包容的氛围，优美的海滨城市环境，满大街飞步疾驶的年轻人，“时间就是金钱”的务实高效。在深圳打拼的每个人却无时无刻不面临着激烈的生存竞争，对未来不确定行的焦虑，为适应快速迭代的商业模式而疲于奔命。每个来深圳的人当初都感觉没有归属感，而一旦适应了深圳的节奏就再难以离开。

30年多年前的深圳，由宝安县升格为深圳市时百废待兴。与北京、上海、广州这些拥有悠久历史，城市功能已基本完善，人文氛围浓厚的城市相比，深圳最大的优势就是没有历史包袱，没有任何决策负担，而最大的劣势同样是一穷二白，一贫如洗。

从来料加工，电子产品组装，服装加工生产起步，在利用外资的大潮中，深圳逐步成为了港澳台与外资大型企业的制造中心与供应链集中地。特别是与香港形成了较强的互补发展关系，逐步承接了香港大部分加工制造业的转移。

上个世纪80-90年代，中国的人口红利在深圳得到了最全面的体现。中国制造的背后少不了深圳制造的身影。当时，深圳富士康在全球生产制造产业链中的节点角色，正是深圳快速消化外资，借助加工制造业构建发展底盘的样板。

到本世纪初期，深圳电子加工制造业的集群优势，对全球高速发展的手机产业链形成虹吸效应。高峰期手机上下游的各类企业总计万家，其中整机装配制造企业近3000家，注册品牌300多个，成规模企业100余家，手机方案设计商100多家，零配件提供商3000多家，全国包销商上百家，省级代理商近千家。很多由工厂转型而来的手机品牌在公模产品上激烈厮杀，也让深圳一度背上了“山寨手机之都”的昵称。

深圳这个骨子里“爱钱”的城市，是不可能在产业链末端加工制造的微薄利润中长期做苦行僧的。通过制造业确立的优势，并在全球产业链分工中占有不可或缺的一席之地后，充分参与国际化市场竞争的一批深圳企业按图索骥，利用地理、信息、政策、人才等优势埋头苦干，开始鹊起。

华为、中兴在通信设备领域开始具备国际竞争力，一批深圳手机品牌国内国外市场两边开花，销量挤入全球前十，打破了洋品牌一统天下的局面。以康佳、创维为代表的家电企业在国内市场风生水起，以腾讯为代表的互联网企业也逐渐成长为中国互联网的一极。

过度依赖制造业等低附加值行业曾让深圳一度陷入“特区不特”困惑。而让深圳经济增长迎来全面质变的关键，是一波“腾笼换鸟”的自我转型。低附加值的制造业被分流到周边省市，曾经辉煌一时的深圳富士康在不断上涨的成本面前，将主要产能迁往内陆省份。华为等终端制造企业也被迫将生产链条集中迁往了东莞松山湖。

与此同步的是产业结构的调整，以液晶面板、激光加工设备、医疗设备、生物工程等为代表的高附加值现代制造业已初步完成布局成为驱动经济增长质量的核心力量。

人才结构的调整也为深圳金融和互联网等现代服务业的迅猛发展提供了源源不断的动力，深圳已稳居中国金融业第一梯队。海内外高端人才集聚也是“中国硅谷”概念落地的重要支撑。

今天的深圳，很像30年前的香港，开始逐步显露全球经济与内地经济超级联系人的角色。但是与香港相比，深圳与内地有着更为天然的融合性与互补性。鉴于与香港的分工，以及香港在全球金融领域防火墙的角色，深圳对部分功能的适当阉割并不意味着深圳不具备充分发展全球金融服务市场的能力。

在2.2万亿GDP的背后，是深圳本土超过350多家上市公司和华为、腾讯这样世界级的企业。而深圳上市公司的总市值已超过上海，仅次于北京。这背后展示的是经济发展的质量与潜力。

未来十年的增量空间看新独角兽

纵向来看，37年前，香港的经济总量相当于600个深圳。深圳从加工制造业、船运贸易起家，近30年的高速发展就是一个不断模仿、学习乃至到超越的过程。有香港这个身边的榜样不断输血，大量外资涌入带来的资金、技术、管理经验和商业模式的落地，以及参与全球市场竞争的历练，最终成就深圳本土企业的崛起，培育了产业升级的基础。

横向对比来看，深圳GDP以微弱优势超越香港、新加坡和广州的背后，是腾讯的最新市值突破5000亿美元，超过Facebook，成为全球第五大市值的公司。华为已成长为全球最大的电信设备制造商和全球第三大智能手机终端企业。深企上市公司的总市值超过10万亿元。仅腾讯的的市值就相关于台湾GDP的总和。

拥有巨大的体量，进入发达经济体模式后，预示着相应的市场机会和成熟的商业模式已充分开发。和多数发达经济体一样，深圳未来也将有可能进入一个缓慢增长的周期。

在全球化产能过剩的大背景下，消费市场增长已陷入疲态。经济增长过度依赖金融杠杆所导致的资产泡沫化，投机主义盛行，以及经济脱实向虚已成为主流经济体共同面对的挑战。中国经济同样在L型走势中进入结构调整周期。

现有生活物质消费市场已充分饱和，全球市场都在期待下一个风口的出现。而新的风口必定是在科技跨越式发展的支撑下对现有生活场景、消费产品、消费习惯的本质性改变所创造的存量消费市场替代。工业革命的成果正在走向终结，整个人类社会正在期待着一场颠覆性的信息技术革命。

作为中国硅谷，深圳在金融科技、移动互联网、智能硬件、AI等诸多领域已经走前全球最前沿。未来最大的挑战是我们不会再有模仿的对象，没有清晰的路径可循，自身变成了引领者，要面对诸多的不确定性和试错的成本。

深圳的总部经济和大量的上市公司面临的是成熟市场的全球化竞争，企业运营会趋向于个体封闭与追求效率的极致，真正承担深圳未来经济增量的探索者是一批批在创新领域艰难前行的创业者，特别是产品与商业模式已初步得到市场检验的各类独角兽公司。在电子信息、生物医药、新能源、新材料，人工智能等领域，包括华大基因、大疆无人机、微众银行、菜鸟网络、腾讯云、随手记、柔宇科技等独角兽公司们在短短几年时间内已展现出了极强的竞能力。

深圳老一代独角兽都有着在生不逢时，历经艰辛的传奇创业故事，任正非2万元起家，做第一款自己的产品就面临倒闭，不断在“冬天论”的自我警醒中做到全球第一。马化腾5万元买了6台电脑拉着一班同学起步，最困难的时候一度想将公司300万卖掉却四处碰壁，迫不得已咬牙坚持反而成就了今天的腾讯。

深圳新一代的独角兽们，面对着巨大的时代机遇，享受着优越的创业环境，有成熟的资本市场加持。他们所肩负的是代表中国企业在人工智能和信息技术革命的新时代引导全球经济发展的重任。

南派的“技术流”们

在移动互联网的流量红利即将结束之际，围绕移动端的创业浪潮已基本进入分水岭。所以今年的独角兽公司榜单特别有意义，它基本上是对上一轮创业大潮成果的总结。

从国内外各种独角兽榜单的盘点来看，南北派独角兽公司有着显著的风格差异。北派独角兽资源整合能力强，擅于营销，侧重于商业模式的创新。而以深圳公司为代表的南派独角兽则都像“IT理工男”，务实低调，以技术制胜，有着极强的特质。

最后，通过几家最具代表性的独角兽公司，我们来一睹深圳未来腾飞的资本:

1、基因工程：华大基因

成立于1999年的华大基因已经成长为全球最大的基因组学研发机构。2013年3月，华大成功完成对美国上市公司Complete Genomics的收购，实现了基因测序上下游产业链的闭环。

华大基因研究院还负责组建我国第一个国家级综合基因库——国家基因库，将更有效地保护、开发和利用中国宝贵的遗传资源，维护国家生物信息安全，提升中国在生物技术领域的战略制高点。

华大被顶级学术期刊《自然》评为“世界领先的遗传学研究中心”和“基因组学、蛋白质组学和生物信息分析领域的领头羊”。截至2017年5月4日，华大累计发表论文超2173篇，SCI收录的有1759篇；在国际四大顶尖学术期刊《自然》系列、《科学》、《细胞》、《新英格兰医学》上共发表文章256篇。

2、人工智能：大疆无人机

大疆无人机是目前全球领先的无人飞行器控制系统及无人机解决方案的研发和生产商，从最初的二十几个人，到现在的12000人；从仓库创业，到全球7 个国家的17间办公室，遍布全球一百多个国家的销售网络，大疆在2017年销售额达到180亿元。占据了全球消费级无人机70%以上的市场份额。

截至2016年，大疆创新在全球已提交专利申请超过1500件，获得专利授权400多件，涉及领域包括无人机各部分结构设计、电路系统、飞行稳定、无线通信及控制系统等。

3、民营银行：微众银行

2014年底成立的微众银行，是国内首家民营银行和互联网银行。通过推出“微粒贷”等线上产品推动了普惠金融的普及，提升了大众参与金融服务的便捷体验。成立近两年时间，微众银行就在2016年实现了十倍的营收增长，营业收入达24.5亿元。公司估值达55亿美元。

4、新材料与智能硬件：柔宇科技

柔宇科技是全球最早专业从事彩色柔性显示技术研究开发的团队之一，也是典型“高富帅”创业团队。其核心团队中已有数百位国内外高端研发和管理人才，包括多位在硅谷及国际学术界和工业界有丰富经验的海内外工程师、博士；多位核心管理及技术人员毕业于美国斯坦福大学、清华大学、北京大学、美国加州大学、美国普渡大学、康奈尔大学、密西根大学、香港科技大学等国内外高等院校、科研院所。

目前柔宇科技已经在世界范围内申请或储备了700余项核心技术知识产权（包括专利和know-hows），充分涵盖了材料、工艺、器件、电路、软件、系统设计等各方面。公司估值已达30亿美元。

5、现代物流：菜鸟网络

成立于深圳前海的菜鸟网络是由阿里巴巴集团、银泰集团联合复星集团、富春控股、顺丰集团、三通一达（申通、圆通、中通、韵达）宅急送、汇通，以及相关金融机构共同组成的“中国智能物流骨干网”(简称CSN)项目。公司估值达76.9亿美元。

菜鸟网络计划首期投资人民币1000亿元，希望在5-8年的时间，努力打造遍布全国的开放式、社会化物流基础设施，建立一张能支撑日均300亿(年度约10万亿)网络零售额的智能骨干网络。

中国智能骨干网不仅是电子商务的基础设施，更是中国未来商业的基础设施。中国智能骨干网将应用物联网、云计算、网络金融等新技术，为各类B2B、B2C和C2C企业提供开放的服务平台，并联合网上信用体系、网上支付体系共同打造中国未来商业的三大基础设施。菜鸟网络不会从事物流，而是希望充分利用自身优势支持国内物流企业的发展，为物流行业提供更优质、高效和智能的服务。

6、云服务：腾讯云

得益于运营腾讯系列产品云服务的基础架构与经验，腾讯云已成长为国内最大的云服务提供商之一。从基础架构到精细化运营，从平台实力到生态能力建设，腾讯云将之整合并面向市场，使之能够为企业和创业者提供集云计算、云数据、云运营于一体的云端服务体验。

腾讯云正在致力于打造最高质量、最佳生态的公有云服务平台，让企业更专注业务。目前公司估值已达33亿美元。

7、金融科技：随手记

由前金蝶软件集团高管创业成立的随手记，经过7年发展已成长为国内最大的个人理财应用服务提供商。随手记系列产品的用户规模已超过3亿，占据整个品类接近70%的市场份额。管理的用户收支流水超过5万亿，平台上每分钟产生的账单超过3000条。

随手记系列产品正在以个人财务为中心，构建包括理财、贷款、办卡、保险、证券等在内的个人金融服务链条。公司在2016年已全面实施盈利。

在全球个人财务管理领域，美国的intuit与随手记系列产品极为相似，两家企业拥有相同的产品矩阵，都接近70%的品类用户市场占有率。不同的是intuit的市值已高达370亿美金，随手记系列的用户规模已接近美国人口总和。

在获得全球私募巨头KKR领投的2亿美元C轮融资后，随手记也在2017年成为南派新晋的独角兽公司。

8、互联网证券：富途证券

由腾讯系员工创业的富途证券，是目前国内最具竞争力的互联网券商企业之一。从前端炒股软件、到中台客户管理和后台结算系统等全部采用自主研发，实现全链条闭环，提供一站式投资平台产品，并持有香港券商牌照。

是香港证监会认可的持牌法团香港交易所参与者，获香港证监会颁发第1/2/4/9类牌照。2017年，富途证券交易额超5000亿元，用户规模近350万。在完成1.45亿美元融资后，成为新晋独角兽公司。

更多精彩内容，关注钛媒体微信号（ID：taimeiti），或者下载钛媒体App

中南大学是985工程高校，也是211工程高校，而且还是国家双一流建设高校，学校位于湖南省长沙市，是中华人民共和国教育部直属的全国重点大学 ，中央直管副部级建制 ，入选国家“2011计划”牵头高校、“111计划”、“强基计划”、  卓越工程师教育培养计划、卓越医生教育培养计划、卓越法律人才教育培养计划、国家创新人才培养示范基地、国家级大学生创新创业训练计划、国家建设高水平大学公派研究生项目、新工科研究与实践项目、中国政府奖学金来华留学生接收院校、学位授权自主审核单位、自主划线高校、医学“双一流”建设联盟 、国家知识产权示范高校、基础学科拔尖学生培养计划2.0基地、中国-中亚国家大学联盟、中俄交通大学联盟，是全国首批试点开展八年制医学教育（本博连读）的五所大学之一。

中南大学秉承百年办学积淀，顺应中国高等教育体制改革大势，弘扬以“知行合一、经世致用”为核心的大学精神，力行“向善、求真、唯美、有容”的校风，坚持自身办学特色，服务国家和社会重大需求，团结奋进，改革创新，追求卓越，综合实力和整体水平大幅提升。

学校历史

中南工业大学

中南工业大学主体学科最早溯源于1903年创办的湖南高等实业学堂的矿科。

1952年，在全国高校院系调整中，由武汉大学、中山大学、北京工业学院、广西大学、湖南大学、南昌大学等6所院校的矿冶类学科组建中南矿冶学院，设置了地质、采矿、选矿、有色金属冶金4个系。

1959年，在发展核武器和核工业的背景下，国家将原中南矿冶学院矿冶工程系等专业系迁至衡阳，组建衡阳矿冶工程学院（南华大学），隶属于二机部。

1960年10月，进入全国重点大学行列，是当时湖南省唯一的一所全国重点大学。中南矿冶学院地质系大专班参与合并组建湖南地质学院。

1985年，更名为中南工业大学，标志着由单科性工学院向综合性工业大学的转变。

1998年，长沙工业高等专科学校并入中南工业大学。

1999年，中南工业大学岳阳分院并入岳阳市卫生学校。

长沙铁道学院

长沙铁道学院主体学科最早溯源于1903年创办的湖南高等实业学堂的路科。

1953年，原武汉大学、湖南大学、南昌大学、广西大学的土建专业和原四川大学、云南大学、华南工学院的土木，建筑和铁道专业合并，撤销湖南大学，成立中南土木建筑学院（今湖南大学的直接前身）。

1959年，恢复湖南大学名称，湖南大学的铁道建筑、桥梁与隧道、铁道运输三个系和部分公共课教研室被分离出去，另辟校址成立长沙铁道学院。

1960年，长沙铁道学院正式挂牌，隶属铁道部，是一所以工为主，工、理、文、经、管、法等多学科的有行业特色的大学。

1962年，广东交通学院原广州铁道学院部分并入长沙铁道学院。

1970年，长沙铁道学院由铁道部划归湖南省领导。

1975年，教育部、铁道部决定将长沙铁道学院改为由铁道部和湖南省双重领导、以铁道部为主的管理体制。

湖南医科大学

1906年，美国耶鲁大学雅礼协会在中国创办的唯一一所西医院，初名雅礼医院。

1914年，湖南育群学会代表湖南省政府与美国雅礼协会合作创办了湘雅医学专门学校（现湘雅医学院），雅礼医院随之更名为湘雅医院，“湘”代表湖南，“雅”代表雅礼；是中国创办最早的西医高等学校之一。

1921年，美国教育考察团确认湘雅医学专门学校与创办1906年的北京协和医学院是全国最好的学校。

1924年2月，湖南育群学会和雅礼会联合创办湘雅“十年协定”届满。经双方反复磋商，将湘雅医学专门学校更名为湘雅医科大学。

1931年4月，民国政府教育部核准湘雅医科大学校董事会立案；同年12月，学校更名为私立湘雅医学院。

1938年8月上旬，迁校委员会议决迁校于贵阳，但五、六级学生、护校、医院全体留湘。是月，各部仪器、标本、图书及办公要件陆续迁运贵阳。9月，教职工及一、二、三、四年级学生陆续赴贵阳。12月，在沅陵增设湘雅医学院沅陵分院，湘雅护校迁此续办。

1939年4月，湘雅在贵阳市次南门外的石硐坡建临时校舍，竣工后迁入授课，该地从此叫湘雅村。7月，在湖南增设湘雅医学院耒阳分院。

1940年8月13日，私立湘雅医学院改称国立湘雅医学院。湘雅医学院国立后，湘雅医院和湘雅护士学校仍为私立。

1944年冬，日寇侵犯贵州，占独山，威胁贵阳，湘雅医学院被迁往四川重庆的杨公桥。

1945年3月上旬，湘雅医学院无偿借得兵工署重庆杨公桥三栋大仓库，作为临时办学点，使学校续办。高年级的临床教学得以在高滩岩的重庆中央医院照常进行。10月初，避难在安化东坪的湘雅医院医务人员、家属和实习医师返回长沙。

1949年9月，中国人民解放军长沙市军事管制委员会文化接管部接管国立湘雅医学院。

1953年6月11日，中央人民政府卫生部批复：定于当年10月1日，将湘雅医学院正式更名为湖南医学院。相应地，附属医院和附设护校相继更名为湖南医学院附属医院、湖南医学院附设护士学校。

1949-1957年，湘雅医学院的隶属关系发生过几次变更，先是由湖南省教育厅代管，而后上划国家卫生部主管、中南军政委员会卫生部代管。1954年10月再度上划卫生部领导，1958年1月起又改由湖南省主管。

1987年12月，国家教委批准，学院更名为湖南医科大学。

2000年4月29日，在国家高等学校重新布局结构调整中由中南工业大学、湖南医科大学与长沙铁道学院三校合并组建中南大学。6月，中南大学研究生院由教育部批准试办。

2001年2月，学校进入国家“985工程”部省重点共建高水平大学行列。

2017年9月，入选国家”双一流”建设高校。                                 

师资力量

截至2021年5月，学校有中国科学院院士1人，中国工程院院士15人，国家杰出青年科学基金获得者30人，国家“万人计划”领军人才26人，“973计划”项目首席科学家19人（其中青年项目2人），教授及相应正高职称人员1884人，享受政府特殊津贴专家412人，全国高校黄大年式教师团队1个。

学校有国家优秀青年科学基金获得者30人，新世纪优秀人才162人，教育部高校青年教师获奖者4人，百千万人才工程19人， 国家“万人计划”领军人才24人，国家级教学名师5人，国家教学团队8个，文化名家暨“四个一批”人才1人，近一届教育部教指委委员40人，湖南省级高层次人才37人，湖南省部级突出贡献专家19人，湖南省级教学名师10人。

学科建设

截至2021年5月，学校设有30个二级学院，106个本科专业，涵盖哲学、经济学、法学、教育学、文学、理学、工学、医学、管理学、艺术学等10大学科门类；国家特色专业19个，国家专业综合改革试点专业36个，国家新闻出版改革发展项目库专业1个，国家级一流本科专业建设点26个，湖南省重点专业24个，湖南省专业综合改革试点专业11个，省级一流本科专业建设点26个，一级学科国家重点学科6个，二级学科国家重点学科12个，国家重点（培育）学科1个，国家临床重点专科61个。

特色专业

国家特色专业：安全工程、临床医学（五年制）、矿物加工工程、土木工程、材料科学与工程、应用化学、自动化、计算机科学与技术、精神医学、交通运输、采矿工程、冶金工程、机械设计制造及其自动化、信息管理与信息系统、测绘工程、粉体材料科学与工程、英语、新能源材料与器件、物联网工程

国家专业综合改革试点专业：矿物加工工程、冶金工程、材料科学与工程、土木工程 [34]  、临床医学（五年制）、机械设计制造及其自动化、交通运输、化学工程与工艺、信息管理与信息系统、粉体材料科学与工程、地质工程、自动化、采矿工程、广播电视学、应用物理学、交通设备与控制工程、软件工程、能源与动力工程、计算机科学与技术、测绘工程、应用化学、电子信息科学与技术、工程管理、制药工程、生物工程、物联网工程、法语、会计学、生物科学、医学检验技术、英语、资源勘查工程、安全工程、无机非金属材料工程、建筑环境与能源应用工程、口腔医学（五年制）

国家级一流本科专业建设点：法学、社会学、思想政治教育、数学与应用数学、生物科学、机械设计制造及其自动化、材料科学与工程、冶金工程、电子信息科学与技术、自动化、软件工程、土木工程、测绘工程、化学工程与工艺、地质工程、采矿工程、矿物加工工程、交通运输、安全工程、临床医学、药学、医学检验技术、护理学、信息管理与信息系统、工程管理

世界一流学科建设学科：数学、材料科学与工程、冶金工程、矿业工程、交通运输工程 [41]

一级学科国家重点学科：机械工程、土木工程、材料科学与工程、交通运输工程、矿业工程、管理科学与工程

二级学科国家重点学科：概率论与数理统计、控制理论与控制工程、有色金属冶金、地球探测与信息技术、病理学与病理生理学、精神病与精神卫生学、内科学（内分泌与代谢病）、神经病学、外科学（胸心外）、耳鼻咽喉科学、遗传学、药理学

国家重点（培育）学科：外科学

学术科研

截至2021年5月，学校有国家级科研基地27个，其中国家重点实验室2个，国家协同创新中心2个，国家工程研究中心6个，国家工程技术研究中心2个，国家工程实验室6个，国防科技重点实验室1个，国家工程化与创新能力建设平台1个，国家临床医学研究中心3个，国家国际科技合作基地4个，牵头和参与组建国家“2011协同创新中心”2个，国家地方联合工程实验室3个，国家地方联合工程研究中心（含参加）3个，国防重点实验室1个，自然科学类省、部级科技创新平台212个，人文社科类省、部级科学研究基地（智库）24个，14个入选中国智库索引（CTTI）智库。

中南大学取得了一批具有世界水平的基础科学研究成果。地洼学说开创了具有国际影响的大地构成与成矿学新流派；粉末压制理论成功解决了形成领域中大量复杂问题；浮选剂结构理论和找药分子设计为矿物工程浮选理论做出了开创性贡献；在马尔可夫过程研究取得的国际一流成果被誉为“侯氏定理”；三元扩散偶实测相图技术奠定了在国际相图领域的权威地位；在国际上首次克隆了决定人类神经性高频耳聋致病基因（GJB3）；药物基因组学的创新性研究开启了以基因为向导的个体化用药时代；自由权矩阵方法已成为国际时滞系统鲁棒控制的最有效方法之一；建立了世界最大规模的人胚胎干细胞库；中国首例供胚胎移植试管婴儿这里出生。

2018年，学校专利申请2592项，同比增长28.57%，其中发明专利2213项，同比增长26.75%；获专利授权1239项，同比增长24.52%，其中发明专利958项，同比增长19.01%。学校2016-2017连续两年获得中国专利金奖。

2019年1月8日，中南大学共有10项成果获2018年度国家科学技术奖， 2020年，中南大学8项成喜获2019年度国家科学技术奖，其中牵头3项，参与5项。

学术资源

截至2020年底，中南大学图书馆馆藏纸质文献总量479万余册（包括图书、过刊和资料），电子图书653.32万余册，已引进包括中国知网、万方数据知识服务平台、Web of Science、EV、PubMed、Science Direct、Wiley Online Library、SpringerLink、IEL、ACS等中外文全文和文摘数据库近240个。馆藏文献重点涵盖冶金、材料、地质、采矿、土木建筑、交通运输、医学等多个学科，建立了连续性的、反映学校专业特色的馆藏体系，为“双一流”教学科研与拔尖创新人才培养提供强有力的文献资源保障。

中南大学图书馆为教育部首批综合类科技查新单位、中国数字图书馆分馆，2003年，中南大学图书馆成为教育部首批全国11个综合类科技查新站之一（Z11）。2020年6月获批国家知识产权信息服务中心

合作交流

截至2020年1月，学校先后与澳大利亚、英国、美国、加拿大等国家高校加强合作，根据不同学制，开展本科“2+2”留学项目、本硕连读“3+1+N”留学项目、中外合作办学项目和交换学习等国际交流项目，与美国的耶鲁大学、南加州大学、康奈尔大学，澳大利亚的莫纳什大学、 弗林德斯大学、悉尼大学，加拿大的渥太华大学以及香港科技大学等中国国内外高校建立交流合作关系。

985工程是指中国共产党和中华人民共和国国务院在世纪之交为建设具有世界先进水平的一流大学而做出的重大决策。

1998年5月4日，时任国家主席江泽民在庆祝北京大学建校100周年大会上代表中国共产党和中华人民共和国中央人民政府向全社会宣告：“为了实现现代化，我国要有若干所具有世界先进水平的一流大学。”

211工程是指面向21世纪、重点建设100所左右的高等学校和一批重点学科的建设工程。于1995年11月经国务院批准后正式启动。

“211工程”是新中国成立以来由国家立项在高等教育领域进行的重点建设工作，是中国政府实施“科教兴国”战略的重大举措、中华民族面对世纪之交的中国国内外形势而作出的发展高等教育的重大决策。

双一流的全称是世界一流大学和世界一流学科，是中共中央、国务院作出的重大战略决策，也是中国高等教育领域继“211工程”“985工程”之后的又一国家战略，有利于提升中国高等教育综合实力和国际竞争力，为实现“两个一百年”奋斗目标和实现中华民族伟大复兴的中国梦提供有力支撑。

物质的三态之间的转换很早就被人类认识到了，它们是不同温度下的状态，由所谓的冰点和熔点决定各自产生转换的温度。100多年前，人类对物质状态的认识基本上仅只于此。虽然亚里士多德在2000多年前就发现世界的组成除了这三态以外还包括火，但他也不清楚火究竟是一种什么物质？其实这就是物质的第四种状态——等离子体的一种表现形式。

如果把气体持续加热几千甚至上万度时，物质会呈现出一种什么样的状态呢？这时，气体原子的外层电子会摆脱原子核的束缚成为自由电子，失去外层电子的原子变成带电的离子，这个过程称为电离。所谓“电离”，其实就是电子离开原子核的意思。除了加热能使原子电离(热电离)外，还可通过电子吸收光子能量发生电离(光电离)，或者使带电粒子在电场中加速获得能量与气体原子碰撞发生能量交换，从而使气体电离(碰撞电离)。发生电离(无论是部分电离还是完全电离)的气体称之为等离子体(或等离子态)。等离子体的独特行为与固态、液态、气态截然不同，因此称之为物质第四态。

等离子体的存在机理是怎样的呢？物质是由分子或者原子组成的，而分子也是由原子组成。原子都由原子核和绕核高速运动的电子构成。原子核带正电，电子带负电，正、负电数量相等，整个原子对外不显电性。电子之所以绕核运动，因为它的能量不足以挣脱核的束缚力。如果不停地给物质加热，当温度升高到数十万度甚至更高，或者用较高电压的电激，电子就能获得足够逃逸的能量，从原子核上剥落下来，成为自由运动的电子。这就像一群下课后的学生跑到操场上随意玩耍一样。这时物质就成为由带正电的原子核和带负电的电子组成的一团匀浆，人们戏称它“离子浆”。这些离子浆中正负电荷总量相等，因此又叫等离子体。

等离子体的物质密度跨度极大，从10的3次方个／立方厘米的稀薄星际等离子体到密度为10的22次方个／立方厘米的电弧放电等离子体，跨越近20个数量级；温度分布范围则从100 K(—173.15°C)的低温到超高温核聚变等离子体的10的8次方—10的9次方K。

等离子体在我们的宇宙中大量存在，从一根蜡烛燃起的火苗到滋生万物的太阳，从闪烁的星星到灿烂的星系。就在我们周围，在日光灯和霓虹灯的灯管里，在眩目的白炽电弧里，都能找到它的踪迹；另外，在地球大气层的电离层里，在美丽的极光和流星的尾巴里，也能找到奇妙的等离子态；放眼宇宙，更是等离子体的天下，宇宙中大部分发光的星球内部温度和压力都很高，这些星球内部的物质差不多都处于等离子态，像太阳这样灼热的恒星就是一团巨大的等离子体。只有那些昏暗的行星和分散的星际物质里才可以找到固态、液态和气态的物质。据印度天体物理学家沙哈的计算，宇宙中99%的物质都处于等离子体状态，而地球上常见的物质状态在宇宙中却成为稀罕宝贝。

这是为什么呢？原来是地球演化到今日，已成为一颗冷行星。实际上，室温下物质的电离成分完全可以忽略不计，即使温度上升到一万度，电离成分也不过千万分之一！

等离子体的研究主要分为高温和低温等离子体两大方面。

高温等离子体中的粒子温度高达上千万以至上亿度，可以使粒子有足够的能量互相碰撞，达到核聚变反应。氢弹就是人类历史上第一次成功应用高温等离子体的产物。氢弹是用原子弹作为“引信”，发出高热，从而产生高温等离子体，引发猛烈的核聚变，释放巨大的破坏性能量。

核聚变如果用于和平目的，把其变成一种新能源，那么核聚变就必须是缓慢地、持续地、可以控制地进行，这正是半个世纪以来高温等离子体物理研究的重点。

空间等离子体研究也是高温等离子体研究的一个重要部分。宇宙中99%以上的物质均是等离子体，而我们的太阳也就是一团巨大的等离子体，因此空间等离子体研究在宇航时代具有极其重要的作用。

一般来说，人们把温度在10万度以下的等离子体称为低温等离子体，低温等离子体大多是弱电离、多成分、并与其它物质有强烈的相互作用。低温等离子体能够由人类的技术来产生，因此被广泛应用于科学技术和工业的许多领域。现在，低温等离子体技术已经成为非常先进的工业加工技术，例如未来所有的超大规模集成电路，都将依靠等离子体加工；航天、冶炼、切割、喷涂等领域都需要低温等离子体技术。

第2课 超级大原子——物质第五态

课程号： 第[1]课 第[2]课 第[3]课 第[4]课

如果物质不断冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷下去，比如说，接近绝对零度(-273.16℃)吧，在这样的极低温下，物质又会出现什么奇异的状态呢？

这时，奇迹出现了——所有的原子似乎都变成了同一个原子，再也分不出你我他了！这就是物质第五态——玻色-爱因斯坦凝聚态(以下简称“玻爱凝聚态”)。

这个新的第五态的发现还得从1924年说起，那一年，年轻的印度物理学家玻色寄给爱因斯坦一篇论文，提出了一种关于原子的新的理论，在传统理论中，人们假定一个体系中所有的原子(或分子)都是可以辨别的，我们可以给一个原子取名张三，另一个取名李四……，并且不会将张三认成李四，也不会将李四认成张三。然而玻色却挑战了上面的假定，认为在原子尺度上我们根本不可能区分两个同类原子(如两个氧原子)有什么不同。

玻色的论文引起了爱因斯坦的高度重视，他将玻色的理论用于原子气体中，进而推测，在正常温度下，原子可以处于任何一个能级(能级是指原子的能量像台阶一样从低到高排列)，但在非常低的温度下，大部分原子会突然跌落到最低的能级上，就好像一座突然坍塌的大楼一样。处于这种状态的大量原子的行为像一个大超级原子。打个比方，练兵场上散乱的士兵突然接到指挥官的命令“向前齐步走”，于是他们迅速集合起来，像一个士兵一样整齐地向前走去。后来物理界将物质的这一状态称为玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。这就是崭新的玻爱凝聚态。

然而，实现玻爱凝聚态的条件极为苛刻和矛盾：一方面需要达到极低的温度，另一方面还需要原子体系处于气态。极低温下的物质如何能保持气态呢？这实在令无数科学家头疼不已。

后来物理学家使用稀薄的金属原子气体，金属原子气体有一个很好的特性：不会因制冷出现液态，更不会高度聚集形成常规的固体。实验对象找到了，下一步就是创造出可以冷却到足够低温度的条件。由于激光冷却技术的发展，人们可以制造出与绝对零度仅仅相差十亿分之一度的低温。并且利用电磁操纵的磁阱技术可以对任意金属物体实行无触移动。这样的实验系统经过不断改进，终于在玻色—爱因斯坦凝聚理论提出71年之后的1995年6月，两名美国科学家康奈尔、维曼以及德国科学家克特勒分别在铷原子蒸气中第一次直接观测到了玻爱凝聚态。这三位科学家也因此而荣膺2001年度诺贝尔物理学奖。此后，这个领域经历着爆发性的发展，目前世界上己有近30个研究组在稀薄原子气中实现了玻爱凝聚态。

玻爱凝聚态有很多奇特的性质，请看以下几个方面：

这些原子组成的集体步调非常一致，因此内部没有任何阻力。激光就是光子的玻爱凝聚，在一束细小的激光里拥挤着非常多的颜色和方向一致的光子流。超导和超流也都是玻爱凝聚的结果。

玻爱凝聚态的凝聚效应可以形成一束沿一定方向传播的宏观电子对波，这种波带电，传播中形成一束宏观电流而无需电压。

原子凝聚体中的原子几乎不动，可以用来设计精确度更高的原子钟，以应用于太空航行和精确定位等。

玻爱凝聚态的原子物质表现出了光子一样的特性正是利用这种特性，前年哈佛大学的两个研究小组用玻色-爱因斯坦凝聚体使光的速度降为零，将光储存了起来。

玻爱凝聚态的研究也可以延伸到其他领域，例如，利用磁场调控原子之间的相互作用，可以在物质第五态中产生类似于超新星爆发的现象，甚至还可以用玻色-爱因斯坦凝聚体来模拟黑洞。

随着对玻爱凝聚态研究的深入，又一次彻底的技术革命的号角已经吹响。

第3课 突破第五态，创造第六态

课程号： 第[1]课 第[2]课 第[3]课 第[4]课

物质形态到此就结束了吗？还没有。

在过去几年内，玻爱凝聚态只能由一类原子形成，这就是玻色子，而费米子是不能形成的。什么是费米子？什么是玻色子？我们需要先走入由基本粒子组成的原子世界。

很早以前，人们就知道原子是由电子和原子核组成，而原子核又由质子和中子组成。20世纪初，物理学家们发现了正电子和光子，开始探寻更小的粒子，发现原子核还可以分成更小的“小不点儿”：中微子、介子、超子、变子等等，物理学家把它们统称为“基本粒子”。早期发现的基本粒子根据各自遇到的“力”可以被分为4类：光子，轻子，介子和重子。20世纪80年代又发现了胶子，W玻色子和Z玻色子。这些基本粒子在宇宙中的“用途”可以这样表述：构成实物的粒子(轻子和重子)和传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)。在这样的一个量子世界里，所有的成员都有标定各自基本特性的四种量子属性：质量、能量、磁矩和自旋。

这四种属性当中，自旋的属性是最重要的，它把不同将粒子王国分成截然不同的两类，就好像这个世界上因为性别将人类分成了男人和女人一样意义重大。粒子的自旋不像地球自转那样是连续的，而是是一跳一跳地旋转着的。根据自旋倍数的不同，科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类。费米子是像电子一样的粒子，有半整数自旋(如1/2，3/2，5/2等)；而玻色子是像光子一样的粒子，有整数自旋(如0，1，2等)。这种自旋差异使费米子和玻色子有完全不同的特性。没有任何两个费米子能有同样的量子态：它们没有相同的特性，也不能在同一时间处于同一地点；而玻色子却能够具有相同的特性。

基本粒子中所有的物质粒子都是费米子，是构成物质的原材料(如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子)；而传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)都是玻色子。

玻色子在我们的宇宙只占了一半的份额，剩下一半是由费米子组成的物质世界。玻爱凝聚态只能由玻色子来形成实在是太遗憾了。那么为什么费米子无法形成玻爱凝聚态呢？

意大利物理学家恩里科·费米和美国物理学家狄拉克指出：由于费米子具有半整数自旋，他们的相互作用会遵循泡利不相容原理(这条规则不适用于玻色子)。这条原理指出：任何两个费米子都不可能具有同样的量子态，从而在空间排布上，无法处在同一位置，当一个费米子占据了最低的能级以后，其它的费米子只能依次往外排列了。这条非常重要的原理排除了很紧密地挤在一起的费米子群的可能性，所以即使在绝对零度时，这些费米子仍然不能达到全同而凝聚起来，这些细微的差异导致他们走在一起时总是先来靠里，后来者往外排队的现象。

但是费米子占据了我们宇宙太重要的地位，它是物质世界的基石。此外，人类长久以来寻求的高温超导梦想仍然无法从理论上得到突破，至今人类一直无法突破—135°C以上的界限而使超导发生。电子作为费米子的一类，如果了解了原子费米子凝聚的机理，对电子费米子的凝聚秘密将彻底揭示出来。并且费米冷凝体中的可见实物原子对非常相似地模拟了超导体中电子对的组成，成为一个看得见的工具，人们再也不必从纯粹的想象中寻找超导秘密的暗道。

第4课 比梦更离奇的狂想曲

课程号： 第[1]课 第[2]课 第[3]课 第[4]课

当前世界，粒子与凝聚态物理学领域的顶尖物理学家梦寐以求的这种物质状态就是所谓的“费米子凝聚态”，费米子凝聚态，从语意分析来说，费米子的物理含义是不能被聚集在一个量子基态的粒子，而凝聚态则表示粒子沉积在一个能量级别上。这个名词本身是一对矛盾，但奇妙的就是现实与理论的矛盾冲突被天才的技巧平复了。

解决这个矛盾首先来自超导现象的启发。巴丁、库珀和施里弗(他们共同荣获1972年诺贝尔物理学奖)提出一个对金属的超导进行解释的理论——BCS理论，其基本思想是，在极低温下的金属中的电子费米子，会彼此结合成对，这种电子对称为库柏对。结合成库柏对的电子费米子表现出玻色子的特性，这样，物理学家就找到了一个制造“费米子凝聚态”的方法。他们将费米子成对转变成玻色子，两个半整数自旋组成一个整数自旋，费米子对就起到了玻色子的作用，所有气体突然冷凝至玻爱凝聚态。

既然电子可以这样行事，为什么原子不可以呢？运用这个理论，科学家们开始对另一种费米子3He同位素进行实验。后来果然发现了3He的玻爱凝聚态所导致的超流现象：超流液态氦被小心注入烧杯的中央时，它会立即从底部沿着烧杯壁向上“爬出”杯口而漫溢出来！但是这种冷凝所涉及的机理非常复杂。

这毕竟是一个成功的开始。德博拉·吉恩坚信采用这个途径可以达到目的。他们首先成功地实现了钾-40原子气体的费米冷凝，这些被冷凝的气体有一个特殊的名字——简并费米气体。简并费米气体中包含有两种不同自旋方向的费米子，它们可以用来形成原子对而成为类玻色子的二元体。这是一种非常规意义上的量子气态物质，是通向费米冷凝体的必经之路。制造它们也是一个高难度的冷凝过程，当温度降到10亿分之一K以下时，这些原子仍然没有由于过强的原子作用而形成凝聚态。

如何将这些信奉“终身独立”的费米子劝说组成库柏对，进而形成凝聚态呢？他们采用了一个魔术般的磁场，50纳开氏温度(与绝对温度只差0.00000005K)下，当磁场达到某一个特定的频率时，超冷的费米子气体开始发生核磁共振，好像在一场交谊舞中慢慢地寻找各自的舞伴。此时磁场快速撤离，外围尚未成对的费米子因失去束缚迅速散开，携带走热量导致中心部位进一步冷凝。一个奇妙的现象终于发生了：穿过费米气体中心的探测光波像打到一个晶体上一样发生了衍射，而气体是不会对光波产生衍射的。德博拉·吉恩相信：一种神奇的固体物质一定已经诞生了。后来的原子阵列显微观测发现，冷凝体中约50万个钾原子费米子确实形成了一对对的库柏对。

费米子凝聚态与超导中的电子费米子冷凝体不一样的是，前者是实实在在的原子冷凝，后者是没有质量的虚空的电子冷凝；前者是一个可见的原子超流流体，后者则是金属中的电子超流体。科学家们把这样的物质状态又叫做超导体与玻爱冷凝体的中间状态。

费米子凝聚态与超导体有哪些不同呢？首先，费米冷凝体所使用的原子比电子重得多，其次是原子对之间吸引力比超导体中电子对的吸引力强得多，在同等密度下，如果使超导体中电子对的吸引力达到费米体中原子对的程度，制造出常温下的超导体立即可以实现。超冷气体中形成费米体为研究超导的机理提供了一个崭新的物质工具，因此，这项成果有助于下一代全新超导体的诞生。而下一代超导体技术可在电能输送、超导磁悬浮列车、超导计算机、地球物理勘探、生物磁学、高能物理研究等众多领域和学科中大显身手。

当然，现在的技术并不能使所有费米子都可以发生费米冷凝，而且所获得的冷凝体还相当脆弱——比玻璃还要脆！但这只是技术问题。

我们的地球虽然身为宇宙的一员，但在浩瀚的宇宙中却显得孤傲不群，像一座孤独飘零的岛屿。不要说它诞生了宇宙中极为罕见的智慧生命(而这样的生命在宇宙中其他地方却难以生存)，就是它上面的物质形态特别的与众不同。地球上司空见惯的物质三态——固态、液态、气态，在宇宙中却极为罕见，物质第四态——等离子态，是宇宙中极多的状态。这实在是个奇怪的现象。

更有意思的是，当我们让物质不断地冷下去、冷下去……不可思议的新物质形态又出现了。这种在地球上只能出现于条件严格的实验室中的物质形态，会在宇宙的某个角落随意飘荡吗？

从物质三态到第四态

石头、铁块等物体既坚硬又不易挥发，这就是作为固体物质的基本特性之一。我们人类居住在一个绝大部分由这些固态物质组成的天地里。当然，我们一样离不开水和空气，它们分别属于液态和气态物质中的一类，相比较而言，这些柔软而易挥发的物质在我们生存的环境中占据的比例更大，对我们生活的影响其实也更大：在科幻故事中，人类依然可以生活在未来水世界上，却无法生活在全部由岩石构成的世界之中。

物质的三态之间的转换很早就被人类认识到了，它们是不同温度下的状态，由所谓的冰点和熔点决定各自产生转换的温度。100多年前，人类对物质状态的认识基本上仅只于此。虽然亚里士多德在2000多年前就发现世界的组成除了这三态以外还包括火，但他也不清楚火究竟是一种什么物质？其实这就是物质的第四种状态——等离子体的一种表现形式。

如果把气体持续加热几千甚至上万度时，物质会呈现出一种什么样的状态呢？这时，气体原子的外层电子会摆脱原子核的束缚成为自由电子，失去外层电子的原子变成带电的离子，这个过程称为电离。所谓“电离”，其实就是电子离开原子核的意思。除了加热能使原子电离(热电离)外，还可通过电子吸收光子能量发生电离(光电离)，或者使带电粒子在电场中加速获得能量与气体原子碰撞发生能量交换，从而使气体电离(碰撞电离)。发生电离(无论是部分电离还是完全电离)的气体称之为等离子体(或等离子态)。等离子体的独特行为与固态、液态、气态截然不同，因此称之为物质第四态。

等离子体的存在机理是怎样的呢？物质是由分子或者原子组成的，而分子也是由原子组成。原子都由原子核和绕核高速运动的电子构成。原子核带正电，电子带负电，正、负电数量相等，整个原子对外不显电性。电子之所以绕核运动，因为它的能量不足以挣脱核的束缚力。如果不停地给物质加热，当温度升高到数十万度甚至更高，或者用较高电压的电激，电子就能获得足够逃逸的能量，从原子核上剥落下来，成为自由运动的电子。这就像一群下课后的学生跑到操场上随意玩耍一样。这时物质就成为由带正电的原子核和带负电的电子组成的一团匀浆，人们戏称它“离子浆”。这些离子浆中正负电荷总量相等，因此又叫等离子体。

等离子体的物质密度跨度极大，从10的3次方个／立方厘米的稀薄星际等离子体到密度为10的22次方个／立方厘米的电弧放电等离子体，跨越近20个数量级；温度分布范围则从100 K(—173.15°C)的低温到超高温核聚变等离子体的10的8次方—10的9次方K。

等离子体在我们的宇宙中大量存在，从一根蜡烛燃起的火苗到滋生万物的太阳，从闪烁的星星到灿烂的星系。就在我们周围，在日光灯和霓虹灯的灯管里，在眩目的白炽电弧里，都能找到它的踪迹；另外，在地球大气层的电离层里，在美丽的极光和流星的尾巴里，也能找到奇妙的等离子态；放眼宇宙，更是等离子体的天下，宇宙中大部分发光的星球内部温度和压力都很高，这些星球内部的物质差不多都处于等离子态，像太阳这样灼热的恒星就是一团巨大的等离子体。只有那些昏暗的行星和分散的星际物质里才可以找到固态、液态和气态的物质。据印度天体物理学家沙哈的计算，宇宙中99%的物质都处于等离子体状态，而地球上常见的物质状态在宇宙中却成为稀罕宝贝。

这是为什么呢？原来是地球演化到今日，已成为一颗冷行星。实际上，室温下物质的电离成分完全可以忽略不计，即使温度上升到一万度，电离成分也不过千万分之一！

等离子体的研究主要分为高温和低温等离子体两大方面。

高温等离子体中的粒子温度高达上千万以至上亿度，可以使粒子有足够的能量互相碰撞，达到核聚变反应。氢弹就是人类历史上第一次成功应用高温等离子体的产物。氢弹是用原子弹作为“引信”，发出高热，从而产生高温等离子体，引发猛烈的核聚变，释放巨大的破坏性能量。

核聚变如果用于和平目的，把其变成一种新能源，那么核聚变就必须是缓慢地、持续地、可以控制地进行，这正是半个世纪以来高温等离子体物理研究的重点。

空间等离子体研究也是高温等离子体研究的一个重要部分。宇宙中99%以上的物质均是等离子体，而我们的太阳也就是一团巨大的等离子体，因此空间等离子体研究在宇航时代具有极其重要的作用。

一般来说，人们把温度在10万度以下的等离子体称为低温等离子体，低温等离子体大多是弱电离、多成分、并与其它物质有强烈的相互作用。低温等离子体能够由人类的技术来产生，因此被广泛应用于科学技术和工业的许多领域。现在，低温等离子体技术已经成为非常先进的工业加工技术，例如未来所有的超大规模集成电路，都将依靠等离子体加工；航天、冶炼、切割、喷涂等领域都需要低温等离子体技术。

超级大原子——物质第五态

如果物质不断冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷下去，比如说，接近绝对零度(-273.16℃)吧，在这样的极低温下，物质又会出现什么奇异的状态呢？

这时，奇迹出现了——所有的原子似乎都变成了同一个原子，再也分不出你我他了！这就是物质第五态——玻色-爱因斯坦凝聚态(以下简称“玻爱凝聚态”)。

这个新的第五态的发现还得从1924年说起，那一年，年轻的印度物理学家玻色寄给爱因斯坦一篇论文，提出了一种关于原子的新的理论，在传统理论中，人们假定一个体系中所有的原子(或分子)都是可以辨别的，我们可以给一个原子取名张三，另一个取名李四……，并且不会将张三认成李四，也不会将李四认成张三。然而玻色却挑战了上面的假定，认为在原子尺度上我们根本不可能区分两个同类原子(如两个氧原子)有什么不同。

玻色的论文引起了爱因斯坦的高度重视，他将玻色的理论用于原子气体中，进而推测，在正常温度下，原子可以处于任何一个能级(能级是指原子的能量像台阶一样从低到高排列)，但在非常低的温度下，大部分原子会突然跌落到最低的能级上，就好像一座突然坍塌的大楼一样。处于这种状态的大量原子的行为像一个大超级原子。打个比方，练兵场上散乱的士兵突然接到指挥官的命令“向前齐步走”，于是他们迅速集合起来，像一个士兵一样整齐地向前走去。后来物理界将物质的这一状态称为玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。这就是崭新的玻爱凝聚态。

然而，实现玻爱凝聚态的条件极为苛刻和矛盾：一方面需要达到极低的温度，另一方面还需要原子体系处于气态。极低温下的物质如何能保持气态呢？这实在令无数科学家头疼不已。

后来物理学家使用稀薄的金属原子气体，金属原子气体有一个很好的特性：不会因制冷出现液态，更不会高度聚集形成常规的固体。实验对象找到了，下一步就是创造出可以冷却到足够低温度的条件。由于激光冷却技术的发展，人们可以制造出与绝对零度仅仅相差十亿分之一度的低温。并且利用电磁操纵的磁阱技术可以对任意金属物体实行无触移动。这样的实验系统经过不断改进，终于在玻色—爱因斯坦凝聚理论提出71年之后的1995年6月，两名美国科学家康奈尔、维曼以及德国科学家克特勒分别在铷原子蒸气中第一次直接观测到了玻爱凝聚态。这三位科学家也因此而荣膺2001年度诺贝尔物理学奖。此后，这个领域经历着爆发性的发展，目前世界上己有近30个研究组在稀薄原子气中实现了玻爱凝聚态。

玻爱凝聚态有很多奇特的性质，请看以下几个方面：

这些原子组成的集体步调非常一致，因此内部没有任何阻力。激光就是光子的玻爱凝聚，在一束细小的激光里拥挤着非常多的颜色和方向一致的光子流。超导和超流也都是玻爱凝聚的结果。

玻爱凝聚态的凝聚效应可以形成一束沿一定方向传播的宏观电子对波，这种波带电，传播中形成一束宏观电流而无需电压。

原子凝聚体中的原子几乎不动，可以用来设计精确度更高的原子钟，以应用于太空航行和精确定位等。

玻爱凝聚态的原子物质表现出了光子一样的特性正是利用这种特性，前年哈佛大学的两个研究小组用玻色-爱因斯坦凝聚体使光的速度降为零，将光储存了起来。

玻爱凝聚态的研究也可以延伸到其他领域，例如，利用磁场调控原子之间的相互作用，可以在物质第五态中产生类似于超新星爆发的现象，甚至还可以用玻色-爱因斯坦凝聚体来模拟黑洞。

随着对玻爱凝聚态研究的深入，又一次彻底的技术革命的号角已经吹响。

突破第五态，创造第六态

物质形态到此就结束了吗？还没有。

在过去几年内，玻爱凝聚态只能由一类原子形成，这就是玻色子，而费米子是不能形成的。什么是费米子？什么是玻色子？我们需要先走入由基本粒子组成的原子世界。

很早以前，人们就知道原子是由电子和原子核组成，而原子核又由质子和中子组成。20世纪初，物理学家们发现了正电子和光子，开始探寻更小的粒子，发现原子核还可以分成更小的“小不点儿”：中微子、介子、超子、变子等等，物理学家把它们统称为“基本粒子”。早期发现的基本粒子根据各自遇到的“力”可以被分为4类：光子，轻子，介子和重子。20世纪80年代又发现了胶子，W玻色子和Z玻色子。这些基本粒子在宇宙中的“用途”可以这样表述：构成实物的粒子(轻子和重子)和传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)。在这样的一个量子世界里，所有的成员都有标定各自基本特性的四种量子属性：质量、能量、磁矩和自旋。

这四种属性当中，自旋的属性是最重要的，它把不同将粒子王国分成截然不同的两类，就好像这个世界上因为性别将人类分成了男人和女人一样意义重大。粒子的自旋不像地球自转那样是连续的，而是是一跳一跳地旋转着的。根据自旋倍数的不同，科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类。费米子是像电子一样的粒子，有半整数自旋(如1/2，3/2，5/2等)；而玻色子是像光子一样的粒子，有整数自旋(如0，1，2等)。这种自旋差异使费米子和玻色子有完全不同的特性。没有任何两个费米子能有同样的量子态：它们没有相同的特性，也不能在同一时间处于同一地点；而玻色子却能够具有相同的特性。

基本粒子中所有的物质粒子都是费米子，是构成物质的原材料(如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子)；而传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)都是玻色子。

玻色子在我们的宇宙只占了一半的份额，剩下一半是由费米子组成的物质世界。玻爱凝聚态只能由玻色子来形成实在是太遗憾了。那么为什么费米子无法形成玻爱凝聚态呢？

意大利物理学家恩里科·费米和美国物理学家狄拉克指出：由于费米子具有半整数自旋，他们的相互作用会遵循泡利不相容原理(这条规则不适用于玻色子)。这条原理指出：任何两个费米子都不可能具有同样的量子态，从而在空间排布上，无法处在同一位置，当一个费米子占据了最低的能级以后，其它的费米子只能依次往外排列了。这条非常重要的原理排除了很紧密地挤在一起的费米子群的可能性，所以即使在绝对零度时，这些费米子仍然不能达到全同而凝聚起来，这些细微的差异导致他们走在一起时总是先来靠里，后来者往外排队的现象。

但是费米子占据了我们宇宙太重要的地位，它是物质世界的基石。此外，人类长久以来寻求的高温超导梦想仍然无法从理论上得到突破，至今人类一直无法突破—135°C以上的界限而使超导发生。电子作为费米子的一类，如果了解了原子费米子凝聚的机理，对电子费米子的凝聚秘密将彻底揭示出来。并且费米冷凝体中的可见实物原子对非常相似地模拟了超导体中电子对的组成，成为一个看得见的工具，人们再也不必从纯粹的想象中寻找超导秘密的暗道。

比梦更离奇的狂想曲

当前世界，粒子与凝聚态物理学领域的顶尖物理学家梦寐以求的这种物质状态就是所谓的“费米子凝聚态”，费米子凝聚态，从语意分析来说，费米子的物理含义是不能被聚集在一个量子基态的粒子，而凝聚态则表示粒子沉积在一个能量级别上。这个名词本身是一对矛盾，但奇妙的就是现实与理论的矛盾冲突被天才的技巧平复了。

解决这个矛盾首先来自超导现象的启发。巴丁、库珀和施里弗(他们共同荣获1972年诺贝尔物理学奖)提出一个对金属的超导进行解释的理论——BCS理论，其基本思想是，在极低温下的金属中的电子费米子，会彼此结合成对，这种电子对称为库柏对。结合成库柏对的电子费米子表现出玻色子的特性，这样，物理学家就找到了一个制造“费米子凝聚态”的方法。他们将费米子成对转变成玻色子，两个半整数自旋组成一个整数自旋，费米子对就起到了玻色子的作用，所有气体突然冷凝至玻爱凝聚态。

既然电子可以这样行事，为什么原子不可以呢？运用这个理论，科学家们开始对另一种费米子3He同位素进行实验。后来果然发现了3He的玻爱凝聚态所导致的超流现象：超流液态氦被小心注入烧杯的中央时，它会立即从底部沿着烧杯壁向上“爬出”杯口而漫溢出来！但是这种冷凝所涉及的机理非常复杂。

这毕竟是一个成功的开始。德博拉·吉恩坚信采用这个途径可以达到目的。他们首先成功地实现了钾-40原子气体的费米冷凝，这些被冷凝的气体有一个特殊的名字——简并费米气体。简并费米气体中包含有两种不同自旋方向的费米子，它们可以用来形成原子对而成为类玻色子的二元体。这是一种非常规意义上的量子气态物质，是通向费米冷凝体的必经之路。制造它们也是一个高难度的冷凝过程，当温度降到10亿分之一K以下时，这些原子仍然没有由于过强的原子作用而形成凝聚态。

如何将这些信奉“终身独立”的费米子劝说组成库柏对，进而形成凝聚态呢？他们采用了一个魔术般的磁场，50纳开氏温度(与绝对温度只差0.00000005K)下，当磁场达到某一个特定的频率时，超冷的费米子气体开始发生核磁共振，好像在一场交谊舞中慢慢地寻找各自的舞伴。此时磁场快速撤离，外围尚未成对的费米子因失去束缚迅速散开，携带走热量导致中心部位进一步冷凝。一个奇妙的现象终于发生了：穿过费米气体中心的探测光波像打到一个晶体上一样发生了衍射，而气体是不会对光波产生衍射的。德博拉·吉恩相信：一种神奇的固体物质一定已经诞生了。后来的原子阵列显微观测发现，冷凝体中约50万个钾原子费米子确实形成了一对对的库柏对。

费米子凝聚态与超导中的电子费米子冷凝体不一样的是，前者是实实在在的原子冷凝，后者是没有质量的虚空的电子冷凝；前者是一个可见的原子超流流体，后者则是金属中的电子超流体。科学家们把这样的物质状态又叫做超导体与玻爱冷凝体的中间状态。

费米子凝聚态与超导体有哪些不同呢？首先，费米冷凝体所使用的原子比电子重得多，其次是原子对之间吸引力比超导体中电子对的吸引力强得多，在同等密度下，如果使超导体中电子对的吸引力达到费米体中原子对的程度，制造出常温下的超导体立即可以实现。超冷气体中形成费米体为研究超导的机理提供了一个崭新的物质工具，因此，这项成果有助于下一代全新超导体的诞生。而下一代超导体技术可在电能输送、超导磁悬浮列车、超导计算机、地球物理勘探、生物磁学、高能物理研究等众多领域和学科中大显身手。

当然，现在的技术并不能使所有费米子都可以发生费米冷凝，而且所获得的冷凝体还相当脆弱——比玻璃还要脆！但这只是技术问题。

[资料]

一位获得2003年“天才奖金”的科学家

世界上每天都有新的发现和发明，但我们的眼睛最关注的只是那些给人类的认识与创造能力将带来革命性改变的伟大发现。在2004年1月28号，有一位科学家向全世界宣告了这样一个革命性的创举，创造出世界上一种全新的物质。这种物质是对一个基本理论的挑战，是彻底实现量子世界宏观化的前夜。她就是——

德博拉·吉恩，一位年仅34岁的美国女科学家，因为领导她的研究小组在1999年创造出一种新的量子气体物质——简并费米气体，在2003年获得了被全世界科学家通常认为只有天才才能获得的“麦克阿瑟奖金”。这个奖金选择获奖者具有三个苛刻的条件：超乎异常的创造力；已经做出重大成就，并承诺将取得更大的突破；其工作将促进一系列极具创造性的工作产生。

这种使当年被誉为分子年的神秘量子气体——百万分之一绝对温度下濒于冷凝的费米子，究竟有什么特点呢？这是人类首次将理论上预言不可冷凝的一类原子极度接近凝固而变得像可以发射的光波，朝着突破理论的极限迈出了一大步。这个成就所带来的世界改变，人们粗略预测，仅仅最近几年，一种从未制造过的极度精准的原子钟和由实体原子物质组成的激光将因此而被发明。刚刚迈入2004年，这个已经处于世界前沿的科学壮举在这位天才科学家的努力之下，让人惊异地又前进了一大步：人类首次创造出理论上预言不可实现的费米冷凝体固体物质。这是继人类于1995年创造第五种物质形态——玻色—爱因斯坦凝聚态(英文缩写为BEC)以后，创造出的第六种物质形态。人类长久以来梦寐以求的常温下的超导体，将会按照这项工作所指明的方向很快被制造出来。在惊叹一个新世界诞生之际，我们再一次信服“天才奖金”名不虚传。

来源：大科技

我们的地球虽然身为宇宙的一员，但在浩瀚的宇宙中却显得孤傲不群，像一座孤独飘零的岛屿。不要说它诞生了宇宙中极为罕见的智慧生命(而这样的生命在宇宙中其他地方却难以生存)，就是它上面的物质形态特别的与众不同。地球上司空见惯的物质三态——固态、液态、气态，在宇宙中却极为罕见，物质第四态——等离子态，是宇宙中极多的状态。这实在是个奇怪的现象。

更有意思的是，当我们让物质不断地冷下去、冷下去……不可思议的新物质形态又出现了。这种在地球上只能出现于条件严格的实验室中的物质形态，会在宇宙的某个角落随意飘荡吗？

从物质三态到第四态

石头、铁块等物体既坚硬又不易挥发，这就是作为固体物质的基本特性之一。我们人类居住在一个绝大部分由这些固态物质组成的天地里。当然，我们一样离不开水和空气，它们分别属于液态和气态物质中的一类，相比较而言，这些柔软而易挥发的物质在我们生存的环境中占据的比例更大，对我们生活的影响其实也更大：在科幻故事中，人类依然可以生活在未来水世界上，却无法生活在全部由岩石构成的世界之中。

物质的三态之间的转换很早就被人类认识到了，它们是不同温度下的状态，由所谓的冰点和熔点决定各自产生转换的温度。100多年前，人类对物质状态的认识基本上仅只于此。虽然亚里士多德在2000多年前就发现世界的组成除了这三态以外还包括火，但他也不清楚火究竟是一种什么物质？其实这就是物质的第四种状态——等离子体的一种表现形式。

如果把气体持续加热几千甚至上万度时，物质会呈现出一种什么样的状态呢？这时，气体原子的外层电子会摆脱原子核的束缚成为自由电子，失去外层电子的原子变成带电的离子，这个过程称为电离。所谓“电离”，其实就是电子离开原子核的意思。除了加热能使原子电离(热电离)外，还可通过电子吸收光子能量发生电离(光电离)，或者使带电粒子在电场中加速获得能量与气体原子碰撞发生能量交换，从而使气体电离(碰撞电离)。发生电离(无论是部分电离还是完全电离)的气体称之为等离子体(或等离子态)。等离子体的独特行为与固态、液态、气态截然不同，因此称之为物质第四态。

等离子体的存在机理是怎样的呢？物质是由分子或者原子组成的，而分子也是由原子组成。原子都由原子核和绕核高速运动的电子构成。原子核带正电，电子带负电，正、负电数量相等，整个原子对外不显电性。电子之所以绕核运动，因为它的能量不足以挣脱核的束缚力。如果不停地给物质加热，当温度升高到数十万度甚至更高，或者用较高电压的电激，电子就能获得足够逃逸的能量，从原子核上剥落下来，成为自由运动的电子。这就像一群下课后的学生跑到操场上随意玩耍一样。这时物质就成为由带正电的原子核和带负电的电子组成的一团匀浆，人们戏称它“离子浆”。这些离子浆中正负电荷总量相等，因此又叫等离子体。

等离子体的物质密度跨度极大，从10的3次方个／立方厘米的稀薄星际等离子体到密度为10的22次方个／立方厘米的电弧放电等离子体，跨越近20个数量级；温度分布范围则从100 K(—173.15°C)的低温到超高温核聚变等离子体的10的8次方—10的9次方K。

等离子体在我们的宇宙中大量存在，从一根蜡烛燃起的火苗到滋生万物的太阳，从闪烁的星星到灿烂的星系。就在我们周围，在日光灯和霓虹灯的灯管里，在眩目的白炽电弧里，都能找到它的踪迹；另外，在地球大气层的电离层里，在美丽的极光和流星的尾巴里，也能找到奇妙的等离子态；放眼宇宙，更是等离子体的天下，宇宙中大部分发光的星球内部温度和压力都很高，这些星球内部的物质差不多都处于等离子态，像太阳这样灼热的恒星就是一团巨大的等离子体。只有那些昏暗的行星和分散的星际物质里才可以找到固态、液态和气态的物质。据印度天体物理学家沙哈的计算，宇宙中99%的物质都处于等离子体状态，而地球上常见的物质状态在宇宙中却成为稀罕宝贝。

这是为什么呢？原来是地球演化到今日，已成为一颗冷行星。实际上，室温下物质的电离成分完全可以忽略不计，即使温度上升到一万度，电离成分也不过千万分之一！

等离子体的研究主要分为高温和低温等离子体两大方面。

高温等离子体中的粒子温度高达上千万以至上亿度，可以使粒子有足够的能量互相碰撞，达到核聚变反应。氢弹就是人类历史上第一次成功应用高温等离子体的产物。氢弹是用原子弹作为“引信”，发出高热，从而产生高温等离子体，引发猛烈的核聚变，释放巨大的破坏性能量。

核聚变如果用于和平目的，把其变成一种新能源，那么核聚变就必须是缓慢地、持续地、可以控制地进行，这正是半个世纪以来高温等离子体物理研究的重点。

空间等离子体研究也是高温等离子体研究的一个重要部分。宇宙中99%以上的物质均是等离子体，而我们的太阳也就是一团巨大的等离子体，因此空间等离子体研究在宇航时代具有极其重要的作用。

一般来说，人们把温度在10万度以下的等离子体称为低温等离子体，低温等离子体大多是弱电离、多成分、并与其它物质有强烈的相互作用。低温等离子体能够由人类的技术来产生，因此被广泛应用于科学技术和工业的许多领域。现在，低温等离子体技术已经成为非常先进的工业加工技术，例如未来所有的超大规模集成电路，都将依靠等离子体加工；航天、冶炼、切割、喷涂等领域都需要低温等离子体技术。

超级大原子——物质第五态

如果物质不断冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷下去，比如说，接近绝对零度(-273.16℃)吧，在这样的极低温下，物质又会出现什么奇异的状态呢？

这时，奇迹出现了——所有的原子似乎都变成了同一个原子，再也分不出你我他了！这就是物质第五态——玻色-爱因斯坦凝聚态(以下简称“玻爱凝聚态”)。

这个新的第五态的发现还得从1924年说起，那一年，年轻的印度物理学家玻色寄给爱因斯坦一篇论文，提出了一种关于原子的新的理论，在传统理论中，人们假定一个体系中所有的原子(或分子)都是可以辨别的，我们可以给一个原子取名张三，另一个取名李四……，并且不会将张三认成李四，也不会将李四认成张三。然而玻色却挑战了上面的假定，认为在原子尺度上我们根本不可能区分两个同类原子(如两个氧原子)有什么不同。

玻色的论文引起了爱因斯坦的高度重视，他将玻色的理论用于原子气体中，进而推测，在正常温度下，原子可以处于任何一个能级(能级是指原子的能量像台阶一样从低到高排列)，但在非常低的温度下，大部分原子会突然跌落到最低的能级上，就好像一座突然坍塌的大楼一样。处于这种状态的大量原子的行为像一个大超级原子。打个比方，练兵场上散乱的士兵突然接到指挥官的命令“向前齐步走”，于是他们迅速集合起来，像一个士兵一样整齐地向前走去。后来物理界将物质的这一状态称为玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。这就是崭新的玻爱凝聚态。

然而，实现玻爱凝聚态的条件极为苛刻和矛盾：一方面需要达到极低的温度，另一方面还需要原子体系处于气态。极低温下的物质如何能保持气态呢？这实在令无数科学家头疼不已。

后来物理学家使用稀薄的金属原子气体，金属原子气体有一个很好的特性：不会因制冷出现液态，更不会高度聚集形成常规的固体。实验对象找到了，下一步就是创造出可以冷却到足够低温度的条件。由于激光冷却技术的发展，人们可以制造出与绝对零度仅仅相差十亿分之一度的低温。并且利用电磁操纵的磁阱技术可以对任意金属物体实行无触移动。这样的实验系统经过不断改进，终于在玻色—爱因斯坦凝聚理论提出71年之后的1995年6月，两名美国科学家康奈尔、维曼以及德国科学家克特勒分别在铷原子蒸气中第一次直接观测到了玻爱凝聚态。这三位科学家也因此而荣膺2001年度诺贝尔物理学奖。此后，这个领域经历着爆发性的发展，目前世界上己有近30个研究组在稀薄原子气中实现了玻爱凝聚态。

玻爱凝聚态有很多奇特的性质，请看以下几个方面：

这些原子组成的集体步调非常一致，因此内部没有任何阻力。激光就是光子的玻爱凝聚，在一束细小的激光里拥挤着非常多的颜色和方向一致的光子流。超导和超流也都是玻爱凝聚的结果。

玻爱凝聚态的凝聚效应可以形成一束沿一定方向传播的宏观电子对波，这种波带电，传播中形成一束宏观电流而无需电压。

原子凝聚体中的原子几乎不动，可以用来设计精确度更高的原子钟，以应用于太空航行和精确定位等。

玻爱凝聚态的原子物质表现出了光子一样的特性正是利用这种特性，前年哈佛大学的两个研究小组用玻色-爱因斯坦凝聚体使光的速度降为零，将光储存了起来。

玻爱凝聚态的研究也可以延伸到其他领域，例如，利用磁场调控原子之间的相互作用，可以在物质第五态中产生类似于超新星爆发的现象，甚至还可以用玻色-爱因斯坦凝聚体来模拟黑洞。

随着对玻爱凝聚态研究的深入，又一次彻底的技术革命的号角已经吹响。

突破第五态，创造第六态

物质形态到此就结束了吗？还没有。

在过去几年内，玻爱凝聚态只能由一类原子形成，这就是玻色子，而费米子是不能形成的。什么是费米子？什么是玻色子？我们需要先走入由基本粒子组成的原子世界。

很早以前，人们就知道原子是由电子和原子核组成，而原子核又由质子和中子组成。20世纪初，物理学家们发现了正电子和光子，开始探寻更小的粒子，发现原子核还可以分成更小的“小不点儿”：中微子、介子、超子、变子等等，物理学家把它们统称为“基本粒子”。早期发现的基本粒子根据各自遇到的“力”可以被分为4类：光子，轻子，介子和重子。20世纪80年代又发现了胶子，W玻色子和Z玻色子。这些基本粒子在宇宙中的“用途”可以这样表述：构成实物的粒子(轻子和重子)和传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)。在这样的一个量子世界里，所有的成员都有标定各自基本特性的四种量子属性：质量、能量、磁矩和自旋。

这四种属性当中，自旋的属性是最重要的，它把不同将粒子王国分成截然不同的两类，就好像这个世界上因为性别将人类分成了男人和女人一样意义重大。粒子的自旋不像地球自转那样是连续的，而是是一跳一跳地旋转着的。根据自旋倍数的不同，科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类。费米子是像电子一样的粒子，有半整数自旋(如1/2，3/2，5/2等)；而玻色子是像光子一样的粒子，有整数自旋(如0，1，2等)。这种自旋差异使费米子和玻色子有完全不同的特性。没有任何两个费米子能有同样的量子态：它们没有相同的特性，也不能在同一时间处于同一地点；而玻色子却能够具有相同的特性。

基本粒子中所有的物质粒子都是费米子，是构成物质的原材料(如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子)；而传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)都是玻色子。

玻色子在我们的宇宙只占了一半的份额，剩下一半是由费米子组成的物质世界。玻爱凝聚态只能由玻色子来形成实在是太遗憾了。那么为什么费米子无法形成玻爱凝聚态呢？

意大利物理学家恩里科·费米和美国物理学家狄拉克指出：由于费米子具有半整数自旋，他们的相互作用会遵循泡利不相容原理(这条规则不适用于玻色子)。这条原理指出：任何两个费米子都不可能具有同样的量子态，从而在空间排布上，无法处在同一位置，当一个费米子占据了最低的能级以后，其它的费米子只能依次往外排列了。这条非常重要的原理排除了很紧密地挤在一起的费米子群的可能性，所以即使在绝对零度时，这些费米子仍然不能达到全同而凝聚起来，这些细微的差异导致他们走在一起时总是先来靠里，后来者往外排队的现象。

但是费米子占据了我们宇宙太重要的地位，它是物质世界的基石。此外，人类长久以来寻求的高温超导梦想仍然无法从理论上得到突破，至今人类一直无法突破—135°C以上的界限而使超导发生。电子作为费米子的一类，如果了解了原子费米子凝聚的机理，对电子费米子的凝聚秘密将彻底揭示出来。并且费米冷凝体中的可见实物原子对非常相似地模拟了超导体中电子对的组成，成为一个看得见的工具，人们再也不必从纯粹的想象中寻找超导秘密的暗道。

比梦更离奇的狂想曲

当前世界，粒子与凝聚态物理学领域的顶尖物理学家梦寐以求的这种物质状态就是所谓的“费米子凝聚态”，费米子凝聚态，从语意分析来说，费米子的物理含义是不能被聚集在一个量子基态的粒子，而凝聚态则表示粒子沉积在一个能量级别上。这个名词本身是一对矛盾，但奇妙的就是现实与理论的矛盾冲突被天才的技巧平复了。

解决这个矛盾首先来自超导现象的启发。巴丁、库珀和施里弗(他们共同荣获1972年诺贝尔物理学奖)提出一个对金属的超导进行解释的理论——BCS理论，其基本思想是，在极低温下的金属中的电子费米子，会彼此结合成对，这种电子对称为库柏对。结合成库柏对的电子费米子表现出玻色子的特性，这样，物理学家就找到了一个制造“费米子凝聚态”的方法。他们将费米子成对转变成玻色子，两个半整数自旋组成一个整数自旋，费米子对就起到了玻色子的作用，所有气体突然冷凝至玻爱凝聚态。

既然电子可以这样行事，为什么原子不可以呢？运用这个理论，科学家们开始对另一种费米子3He同位素进行实验。后来果然发现了3He的玻爱凝聚态所导致的超流现象：超流液态氦被小心注入烧杯的中央时，它会立即从底部沿着烧杯壁向上“爬出”杯口而漫溢出来！但是这种冷凝所涉及的机理非常复杂。

这毕竟是一个成功的开始。德博拉·吉恩坚信采用这个途径可以达到目的。他们首先成功地实现了钾-40原子气体的费米冷凝，这些被冷凝的气体有一个特殊的名字——简并费米气体。简并费米气体中包含有两种不同自旋方向的费米子，它们可以用来形成原子对而成为类玻色子的二元体。这是一种非常规意义上的量子气态物质，是通向费米冷凝体的必经之路。制造它们也是一个高难度的冷凝过程，当温度降到10亿分之一K以下时，这些原子仍然没有由于过强的原子作用而形成凝聚态。

如何将这些信奉“终身独立”的费米子劝说组成库柏对，进而形成凝聚态呢？他们采用了一个魔术般的磁场，50纳开氏温度(与绝对温度只差0.00000005K)下，当磁场达到某一个特定的频率时，超冷的费米子气体开始发生核磁共振，好像在一场交谊舞中慢慢地寻找各自的舞伴。此时磁场快速撤离，外围尚未成对的费米子因失去束缚迅速散开，携带走热量导致中心部位进一步冷凝。一个奇妙的现象终于发生了：穿过费米气体中心的探测光波像打到一个晶体上一样发生了衍射，而气体是不会对光波产生衍射的。德博拉·吉恩相信：一种神奇的固体物质一定已经诞生了。后来的原子阵列显微观测发现，冷凝体中约50万个钾原子费米子确实形成了一对对的库柏对。

费米子凝聚态与超导中的电子费米子冷凝体不一样的是，前者是实实在在的原子冷凝，后者是没有质量的虚空的电子冷凝；前者是一个可见的原子超流流体，后者则是金属中的电子超流体。科学家们把这样的物质状态又叫做超导体与玻爱冷凝体的中间状态。

费米子凝聚态与超导体有哪些不同呢？首先，费米冷凝体所使用的原子比电子重得多，其次是原子对之间吸引力比超导体中电子对的吸引力强得多，在同等密度下，如果使超导体中电子对的吸引力达到费米体中原子对的程度，制造出常温下的超导体立即可以实现。超冷气体中形成费米体为研究超导的机理提供了一个崭新的物质工具，因此，这项成果有助于下一代全新超导体的诞生。而下一代超导体技术可在电能输送、超导磁悬浮列车、超导计算机、地球物理勘探、生物磁学、高能物理研究等众多领域和学科中大显身手。

当然，现在的技术并不能使所有费米子都可以发生费米冷凝，而且所获得的冷凝体还相当脆弱——比玻璃还要脆！但这只是技术问题。

[资料]

一位获得2003年“天才奖金”的科学家

世界上每天都有新的发现和发明，但我们的眼睛最关注的只是那些给人类的认识与创造能力将带来革命性改变的伟大发现。在2004年1月28号，有一位科学家向全世界宣告了这样一个革命性的创举，创造出世界上一种全新的物质。这种物质是对一个基本理论的挑战，是彻底实现量子世界宏观化的前夜。她就是——

德博拉·吉恩，一位年仅34岁的美国女科学家，因为领导她的研究小组在1999年创造出一种新的量子气体物质——简并费米气体，在2003年获得了被全世界科学家通常认为只有天才才能获得的“麦克阿瑟奖金”。这个奖金选择获奖者具有三个苛刻的条件：超乎异常的创造力；已经做出重大成就，并承诺将取得更大的突破；其工作将促进一系列极具创造性的工作产生。

这种使当年被誉为分子年的神秘量子气体——百万分之一绝对温度下濒于冷凝的费米子，究竟有什么特点呢？这是人类首次将理论上预言不可冷凝的一类原子极度接近凝固而变得像可以发射的光波，朝着突破理论的极限迈出了一大步。这个成就所带来的世界改变，人们粗略预测，仅仅最近几年，一种从未制造过的极度精准的原子钟和由实体原子物质组成的激光将因此而被发明。刚刚迈入2004年，这个已经处于世界前沿的科学壮举在这位天才科学家的努力之下，让人惊异地又前进了一大步：人类首次创造出理论上预言不可实现的费米冷凝体固体物质。这是继人类于1995年创造第五种物质形态——玻色—爱因斯坦凝聚态(英文缩写为BEC)以后，创造出的第六种物质形态。人类长久以来梦寐以求的常温下的超导体，将会按照这项工作所指明的方向很快被制造出来。在惊叹一个新世界诞生之际，我们再一次信服“天才奖金”名不虚传。

我们的地球虽然身为宇宙的一员，但在浩瀚的宇宙中却显得孤傲不群，像一座孤独飘零的岛屿。不要说它诞生了宇宙中极为罕见的智慧生命(而这样的生命在宇宙中其他地方却难以生存)，就是它上面的物质形态特别的与众不同。地球上司空见惯的物质三态——固态、液态、气态，在宇宙中却极为罕见，物质第四态——等离子态，是宇宙中极多的状态。这实在是个奇怪的现象。

更有意思的是，当我们让物质不断地冷下去、冷下去……不可思议的新物质形态又出现了。这种在地球上只能出现于条件严格的实验室中的物质形态，会在宇宙的某个角落随意飘荡吗？

从物质三态到第四态

石头、铁块等物体既坚硬又不易挥发，这就是作为固体物质的基本特性之一。我们人类居住在一个绝大部分由这些固态物质组成的天地里。当然，我们一样离不开水和空气，它们分别属于液态和气态物质中的一类，相比较而言，这些柔软而易挥发的物质在我们生存的环境中占据的比例更大，对我们生活的影响其实也更大：在科幻故事中，人类依然可以生活在未来水世界上，却无法生活在全部由岩石构成的世界之中。

物质的三态之间的转换很早就被人类认识到了，它们是不同温度下的状态，由所谓的冰点和熔点决定各自产生转换的温度。100多年前，人类对物质状态的认识基本上仅只于此。虽然亚里士多德在2000多年前就发现世界的组成除了这三态以外还包括火，但他也不清楚火究竟是一种什么物质？其实这就是物质的第四种状态——等离子体的一种表现形式。

如果把气体持续加热几千甚至上万度时，物质会呈现出一种什么样的状态呢？这时，气体原子的外层电子会摆脱原子核的束缚成为自由电子，失去外层电子的原子变成带电的离子，这个过程称为电离。所谓“电离”，其实就是电子离开原子核的意思。除了加热能使原子电离(热电离)外，还可通过电子吸收光子能量发生电离(光电离)，或者使带电粒子在电场中加速获得能量与气体原子碰撞发生能量交换，从而使气体电离(碰撞电离)。发生电离(无论是部分电离还是完全电离)的气体称之为等离子体(或等离子态)。等离子体的独特行为与固态、液态、气态截然不同，因此称之为物质第四态。

等离子体的存在机理是怎样的呢？物质是由分子或者原子组成的，而分子也是由原子组成。原子都由原子核和绕核高速运动的电子构成。原子核带正电，电子带负电，正、负电数量相等，整个原子对外不显电性。电子之所以绕核运动，因为它的能量不足以挣脱核的束缚力。如果不停地给物质加热，当温度升高到数十万度甚至更高，或者用较高电压的电激，电子就能获得足够逃逸的能量，从原子核上剥落下来，成为自由运动的电子。这就像一群下课后的学生跑到操场上随意玩耍一样。这时物质就成为由带正电的原子核和带负电的电子组成的一团匀浆，人们戏称它“离子浆”。这些离子浆中正负电荷总量相等，因此又叫等离子体。

等离子体的物质密度跨度极大，从10的3次方个／立方厘米的稀薄星际等离子体到密度为10的22次方个／立方厘米的电弧放电等离子体，跨越近20个数量级；温度分布范围则从100 K(—173.15°C)的低温到超高温核聚变等离子体的10的8次方—10的9次方K。

等离子体在我们的宇宙中大量存在，从一根蜡烛燃起的火苗到滋生万物的太阳，从闪烁的星星到灿烂的星系。就在我们周围，在日光灯和霓虹灯的灯管里，在眩目的白炽电弧里，都能找到它的踪迹；另外，在地球大气层的电离层里，在美丽的极光和流星的尾巴里，也能找到奇妙的等离子态；放眼宇宙，更是等离子体的天下，宇宙中大部分发光的星球内部温度和压力都很高，这些星球内部的物质差不多都处于等离子态，像太阳这样灼热的恒星就是一团巨大的等离子体。只有那些昏暗的行星和分散的星际物质里才可以找到固态、液态和气态的物质。据印度天体物理学家沙哈的计算，宇宙中99%的物质都处于等离子体状态，而地球上常见的物质状态在宇宙中却成为稀罕宝贝。

这是为什么呢？原来是地球演化到今日，已成为一颗冷行星。实际上，室温下物质的电离成分完全可以忽略不计，即使温度上升到一万度，电离成分也不过千万分之一！

等离子体的研究主要分为高温和低温等离子体两大方面。

高温等离子体中的粒子温度高达上千万以至上亿度，可以使粒子有足够的能量互相碰撞，达到核聚变反应。氢弹就是人类历史上第一次成功应用高温等离子体的产物。氢弹是用原子弹作为“引信”，发出高热，从而产生高温等离子体，引发猛烈的核聚变，释放巨大的破坏性能量。

核聚变如果用于和平目的，把其变成一种新能源，那么核聚变就必须是缓慢地、持续地、可以控制地进行，这正是半个世纪以来高温等离子体物理研究的重点。

空间等离子体研究也是高温等离子体研究的一个重要部分。宇宙中99%以上的物质均是等离子体，而我们的太阳也就是一团巨大的等离子体，因此空间等离子体研究在宇航时代具有极其重要的作用。

一般来说，人们把温度在10万度以下的等离子体称为低温等离子体，低温等离子体大多是弱电离、多成分、并与其它物质有强烈的相互作用。低温等离子体能够由人类的技术来产生，因此被广泛应用于科学技术和工业的许多领域。现在，低温等离子体技术已经成为非常先进的工业加工技术，例如未来所有的超大规模集成电路，都将依靠等离子体加工；航天、冶炼、切割、喷涂等领域都需要低温等离子体技术。

超级大原子——物质第五态

如果物质不断冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷下去，比如说，接近绝对零度(-273.16℃)吧，在这样的极低温下，物质又会出现什么奇异的状态呢？

这时，奇迹出现了——所有的原子似乎都变成了同一个原子，再也分不出你我他了！这就是物质第五态——玻色-爱因斯坦凝聚态(以下简称“玻爱凝聚态”)。

这个新的第五态的发现还得从1924年说起，那一年，年轻的印度物理学家玻色寄给爱因斯坦一篇论文，提出了一种关于原子的新的理论，在传统理论中，人们假定一个体系中所有的原子(或分子)都是可以辨别的，我们可以给一个原子取名张三，另一个取名李四……，并且不会将张三认成李四，也不会将李四认成张三。然而玻色却挑战了上面的假定，认为在原子尺度上我们根本不可能区分两个同类原子(如两个氧原子)有什么不同。

玻色的论文引起了爱因斯坦的高度重视，他将玻色的理论用于原子气体中，进而推测，在正常温度下，原子可以处于任何一个能级(能级是指原子的能量像台阶一样从低到高排列)，但在非常低的温度下，大部分原子会突然跌落到最低的能级上，就好像一座突然坍塌的大楼一样。处于这种状态的大量原子的行为像一个大超级原子。打个比方，练兵场上散乱的士兵突然接到指挥官的命令“向前齐步走”，于是他们迅速集合起来，像一个士兵一样整齐地向前走去。后来物理界将物质的这一状态称为玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)，它表示原来不同状态的原子突然“凝聚”到同一状态。这就是崭新的玻爱凝聚态。

然而，实现玻爱凝聚态的条件极为苛刻和矛盾：一方面需要达到极低的温度，另一方面还需要原子体系处于气态。极低温下的物质如何能保持气态呢？这实在令无数科学家头疼不已。

后来物理学家使用稀薄的金属原子气体，金属原子气体有一个很好的特性：不会因制冷出现液态，更不会高度聚集形成常规的固体。实验对象找到了，下一步就是创造出可以冷却到足够低温度的条件。由于激光冷却技术的发展，人们可以制造出与绝对零度仅仅相差十亿分之一度的低温。并且利用电磁操纵的磁阱技术可以对任意金属物体实行无触移动。这样的实验系统经过不断改进，终于在玻色—爱因斯坦凝聚理论提出71年之后的1995年6月，两名美国科学家康奈尔、维曼以及德国科学家克特勒分别在铷原子蒸气中第一次直接观测到了玻爱凝聚态。这三位科学家也因此而荣膺2001年度诺贝尔物理学奖。此后，这个领域经历着爆发性的发展，目前世界上己有近30个研究组在稀薄原子气中实现了玻爱凝聚态。

玻爱凝聚态有很多奇特的性质，请看以下几个方面：

这些原子组成的集体步调非常一致，因此内部没有任何阻力。激光就是光子的玻爱凝聚，在一束细小的激光里拥挤着非常多的颜色和方向一致的光子流。超导和超流也都是玻爱凝聚的结果。

玻爱凝聚态的凝聚效应可以形成一束沿一定方向传播的宏观电子对波，这种波带电，传播中形成一束宏观电流而无需电压。

原子凝聚体中的原子几乎不动，可以用来设计精确度更高的原子钟，以应用于太空航行和精确定位等。

玻爱凝聚态的原子物质表现出了光子一样的特性正是利用这种特性，前年哈佛大学的两个研究小组用玻色-爱因斯坦凝聚体使光的速度降为零，将光储存了起来。

玻爱凝聚态的研究也可以延伸到其他领域，例如，利用磁场调控原子之间的相互作用，可以在物质第五态中产生类似于超新星爆发的现象，甚至还可以用玻色-爱因斯坦凝聚体来模拟黑洞。

随着对玻爱凝聚态研究的深入，又一次彻底的技术革命的号角已经吹响。

突破第五态，创造第六态

物质形态到此就结束了吗？还没有。

在过去几年内，玻爱凝聚态只能由一类原子形成，这就是玻色子，而费米子是不能形成的。什么是费米子？什么是玻色子？我们需要先走入由基本粒子组成的原子世界。

很早以前，人们就知道原子是由电子和原子核组成，而原子核又由质子和中子组成。20世纪初，物理学家们发现了正电子和光子，开始探寻更小的粒子，发现原子核还可以分成更小的“小不点儿”：中微子、介子、超子、变子等等，物理学家把它们统称为“基本粒子”。早期发现的基本粒子根据各自遇到的“力”可以被分为4类：光子，轻子，介子和重子。20世纪80年代又发现了胶子，W玻色子和Z玻色子。这些基本粒子在宇宙中的“用途”可以这样表述：构成实物的粒子(轻子和重子)和传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)。在这样的一个量子世界里，所有的成员都有标定各自基本特性的四种量子属性：质量、能量、磁矩和自旋。

这四种属性当中，自旋的属性是最重要的，它把不同将粒子王国分成截然不同的两类，就好像这个世界上因为性别将人类分成了男人和女人一样意义重大。粒子的自旋不像地球自转那样是连续的，而是是一跳一跳地旋转着的。根据自旋倍数的不同，科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类。费米子是像电子一样的粒子，有半整数自旋(如1/2，3/2，5/2等)；而玻色子是像光子一样的粒子，有整数自旋(如0，1，2等)。这种自旋差异使费米子和玻色子有完全不同的特性。没有任何两个费米子能有同样的量子态：它们没有相同的特性，也不能在同一时间处于同一地点；而玻色子却能够具有相同的特性。

基本粒子中所有的物质粒子都是费米子，是构成物质的原材料(如轻子中的电子、组成质子和中子的夸克、中微子)；而传递作用力的粒子(光子、介子、胶子、W和Z玻色子)都是玻色子。

玻色子在我们的宇宙只占了一半的份额，剩下一半是由费米子组成的物质世界。玻爱凝聚态只能由玻色子来形成实在是太遗憾了。那么为什么费米子无法形成玻爱凝聚态呢？

意大利物理学家恩里科·费米和美国物理学家狄拉克指出：由于费米子具有半整数自旋，他们的相互作用会遵循泡利不相容原理(这条规则不适用于玻色子)。这条原理指出：任何两个费米子都不可能具有同样的量子态，从而在空间排布上，无法处在同一位置，当一个费米子占据了最低的能级以后，其它的费米子只能依次往外排列了。这条非常重要的原理排除了很紧密地挤在一起的费米子群的可能性，所以即使在绝对零度时，这些费米子仍然不能达到全同而凝聚起来，这些细微的差异导致他们走在一起时总是先来靠里，后来者往外排队的现象。

但是费米子占据了我们宇宙太重要的地位，它是物质世界的基石。此外，人类长久以来寻求的高温超导梦想仍然无法从理论上得到突破，至今人类一直无法突破—135°C以上的界限而使超导发生。电子作为费米子的一类，如果了解了原子费米子凝聚的机理，对电子费米子的凝聚秘密将彻底揭示出来。并且费米冷凝体中的可见实物原子对非常相似地模拟了超导体中电子对的组成，成为一个看得见的工具，人们再也不必从纯粹的想象中寻找超导秘密的暗道。

比梦更离奇的狂想曲

当前世界，粒子与凝聚态物理学领域的顶尖物理学家梦寐以求的这种物质状态就是所谓的“费米子凝聚态”，费米子凝聚态，从语意分析来说，费米子的物理含义是不能被聚集在一个量子基态的粒子，而凝聚态则表示粒子沉积在一个能量级别上。这个名词本身是一对矛盾，但奇妙的就是现实与理论的矛盾冲突被天才的技巧平复了。

解决这个矛盾首先来自超导现象的启发。巴丁、库珀和施里弗(他们共同荣获1972年诺贝尔物理学奖)提出一个对金属的超导进行解释的理论——BCS理论，其基本思想是，在极低温下的金属中的电子费米子，会彼此结合成对，这种电子对称为库柏对。结合成库柏对的电子费米子表现出玻色子的特性，这样，物理学家就找到了一个制造“费米子凝聚态”的方法。他们将费米子成对转变成玻色子，两个半整数自旋组成一个整数自旋，费米子对就起到了玻色子的作用，所有气体突然冷凝至玻爱凝聚态。

既然电子可以这样行事，为什么原子不可以呢？运用这个理论，科学家们开始对另一种费米子3He同位素进行实验。后来果然发现了3He的玻爱凝聚态所导致的超流现象：超流液态氦被小心注入烧杯的中央时，它会立即从底部沿着烧杯壁向上“爬出”杯口而漫溢出来！但是这种冷凝所涉及的机理非常复杂。

这毕竟是一个成功的开始。德博拉·吉恩坚信采用这个途径可以达到目的。他们首先成功地实现了钾-40原子气体的费米冷凝，这些被冷凝的气体有一个特殊的名字——简并费米气体。简并费米气体中包含有两种不同自旋方向的费米子，它们可以用来形成原子对而成为类玻色子的二元体。这是一种非常规意义上的量子气态物质，是通向费米冷凝体的必经之路。制造它们也是一个高难度的冷凝过程，当温度降到10亿分之一K以下时，这些原子仍然没有由于过强的原子作用而形成凝聚态。

如何将这些信奉“终身独立”的费米子劝说组成库柏对，进而形成凝聚态呢？他们采用了一个魔术般的磁场，50纳开氏温度(与绝对温度只差0.00000005K)下，当磁场达到某一个特定的频率时，超冷的费米子气体开始发生核磁共振，好像在一场交谊舞中慢慢地寻找各自的舞伴。此时磁场快速撤离，外围尚未成对的费米子因失去束缚迅速散开，携带走热量导致中心部位进一步冷凝。一个奇妙的现象终于发生了：穿过费米气体中心的探测光波像打到一个晶体上一样发生了衍射，而气体是不会对光波产生衍射的。德博拉·吉恩相信：一种神奇的固体物质一定已经诞生了。后来的原子阵列显微观测发现，冷凝体中约50万个钾原子费米子确实形成了一对对的库柏对。

费米子凝聚态与超导中的电子费米子冷凝体不一样的是，前者是实实在在的原子冷凝，后者是没有质量的虚空的电子冷凝；前者是一个可见的原子超流流体，后者则是金属中的电子超流体。科学家们把这样的物质状态又叫做超导体与玻爱冷凝体的中间状态。

费米子凝聚态与超导体有哪些不同呢？首先，费米冷凝体所使用的原子比电子重得多，其次是原子对之间吸引力比超导体中电子对的吸引力强得多，在同等密度下，如果使超导体中电子对的吸引力达到费米体中原子对的程度，制造出常温下的超导体立即可以实现。超冷气体中形成费米体为研究超导的机理提供了一个崭新的物质工具，因此，这项成果有助于下一代全新超导体的诞生。而下一代超导体技术可在电能输送、超导磁悬浮列车、超导计算机、地球物理勘探、生物磁学、高能物理研究等众多领域和学科中大显身手。

当然，现在的技术并不能使所有费米子都可以发生费米冷凝，而且所获得的冷凝体还相当脆弱——比玻璃还要脆！但这只是技术问题。

[资料]

一位获得2003年“天才奖金”的科学家

世界上每天都有新的发现和发明，但我们的眼睛最关注的只是那些给人类的认识与创造能力将带来革命性改变的伟大发现。在2004年1月28号，有一位科学家向全世界宣告了这样一个革命性的创举，创造出世界上一种全新的物质。这种物质是对一个基本理论的挑战，是彻底实现量子世界宏观化的前夜。她就是——

德博拉·吉恩，一位年仅34岁的美国女科学家，因为领导她的研究小组在1999年创造出一种新的量子气体物质——简并费米气体，在2003年获得了被全世界科学家通常认为只有天才才能获得的“麦克阿瑟奖金”。这个奖金选择获奖者具有三个苛刻的条件：超乎异常的创造力；已经做出重大成就，并承诺将取得更大的突破；其工作将促进一系列极具创造性的工作产生。

这种使当年被誉为分子年的神秘量子气体——百万分之一绝对温度下濒于冷凝的费米子，究竟有什么特点呢？这是人类首次将理论上预言不可冷凝的一类原子极度接近凝固而变得像可以发射的光波，朝着突破理论的极限迈出了一大步。这个成就所带来的世界改变，人们粗略预测，仅仅最近几年，一种从未制造过的极度精准的原子钟和由实体原子物质组成的激光将因此而被发明。刚刚迈入2004年，这个已经处于世界前沿的科学壮举在这位天才科学家的努力之下，让人惊异地又前进了一大步：人类首次创造出理论上预言不可实现的费米冷凝体固体物质。这是继人类于1995年创造第五种物质形态——玻色—爱因斯坦凝聚态(英文缩写为BEC)以后，创造出的第六种物质形态。人类长久以来梦寐以求的常温下的超导体，将会按照这项工作所指明的方向很快被制造出来。在惊叹一个新世界诞生之际，我们再一次信服“天才奖金”名不虚传。