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２００１年诺贝尔自然科学奖
作者：宋心琦 申景平 刘立仁 陈颖健
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化学奖评述
宋心琦
手性和手性分子
组成相同、空间结构互成镜像(对映体)的分子叫做手性分子，又称手性异构体。手性分子的对映体可以有几乎完全相同的物理化学性质(如沸点、溶解度等)，甚至有相同的光谱，但是它们之间仍然存在有重要的差别，那就是和其他手性分子间反应性的差别。
例如化学式同为C10H16的名为苎烯的有机物，它的两种对映体在自然界都可以找到。其中，(R)－(＋)－苎烯有香橙气味，而(S)－(－)－苎烯则呈柠檬气味；化学式为C17H20O的努特卡酮的两种对映体的柚香竟然相差750倍之多!这是因为对人的嗅觉起决定性作用的受体也是由手性分子构成的。而手性分子在相互作用时所严格要求的手性匹配原则，是产生上述现象的根本原因。不少昆虫具有对某种气味的异常敏感性，求偶时释放的性吸引剂有时就是手性化学物质。有趣的是，近来发现有一种名为olean的昆虫信息素，对映体之一能够吸引雄性果蝇，而它的镜像分子却只能够吸引雌性果蝇。
因为和生命有关的许多分子都具有手性，其中包括DNA、酶、抗体和性激素等，因此，药物的活性和手性密切相关就不难理解了。不过人们对这个结论的认识也只有几十年的历史。例如20世纪60年代初期，反应停(thalidomide)的对映体混合物曾用作减轻孕妇早期妊娠反应的药物，后来才发现胎儿肢体的先天性残缺可能和胎儿母亲服用该药有关。这意味着，反应停中的一种对映体有治疗作用，而另一种对映体却可能是有害的(由于thalidomide的两种对映体在动物体内很容易互相转化，所以对于这个看法至今仍有不同的意见。)。因此，现在要求医药公司在新药上市之前，必须对药物的两种手性分子的生物活性和毒性逐一进行严格的试验。
对单一对映体的需求
在传统的化学合成中，基团的加成或取代在空间取向上是随机的，所以产物中对映体的比例在大多数情况下是50∶50。当需要具备某种生物活性的单一对映体时，必须把对映体混合物分离开来(拆分)，由于对映体之间在物理化学性质方面的差异很小，所以拆分是一项十分艰难的工作。不仅如此，即使顺利地完成了拆分，如果另一种对映体没有找到实际的用途，产物中将有一半成为废弃物。这不仅会严重地影响到产品的成本，在环境保护政策日益严厉的今天，规模生产也将无法实现。所以研究和发明有利于对映体之一的合成方法，特别是得到所需要的纯粹单一对映体的化学合成方法，便成为解决这个难题的最佳途径。这就是2001年诺贝尔化学奖获奖者的主要贡献所在。
诺尔斯首创加氢反应的手性催化剂
20世纪60年代初期，利用不对称催化加氢的方法来催化一个反应，使得产物中对映体的比例仅有利于其中之一的想法，仍然是一个未经证实的设想。1968年在美国孟山都化学公司工作的诺尔斯(William S. Knowles)在实现这个设想方面，取得了突破性的进展。他发现，如果用过渡金属元素制造出含有手性配体的络合物，并且用作催化剂，就可以在和非手性的底物作用时实现手性的传递，得到具有手性的产物。例如用于不饱和双键的催化加氢反应，就可以使其中的一个碳原子具有手性。更为重要的是，一个催化剂分子可以制造出数以百万计的预期的手性产物分子。
诺尔斯的发明是在前人的两项工作的基础之上发展而成的。其一是1966年Osborn和Wilkinson关于可溶性过渡性金属络合物[(Ph3P)2RhCl](Ph－苯基，C6H5－)的合成，从而使得催化加氢反应得以在溶液中进行。不过，(Ph3P)2RhCl)不是手性络合物，因为在中心的铑(Rh)原子外有三个相同的非手性的三苯膦配体。
另一个是Horner和Mislow关于手性膦的合成，亦即把三苯膦中的三个苯基换成彼此不同的基团(如甲基丙基苯基膦)。诺尔斯基于这两项工作，设想如果用手性膦来取代三苯膦中的一个基团，也许可以得到一种不对称加氢反应的催化剂。他最早用的手性膦并不是纯的对映体，但是产物中对映体的比例却由50∶50变为575∶425，二者相差15％。这个结果并不理想，但是它有力地证明了不对称催化加氢是可能的。诺尔斯的工作对于不对称催化合成反应具有首创性，所以他被认为是2001年诺贝尔化学奖的当然获奖者之一。
诺尔斯的目标是开发一种生产氨基酸L－DOPA的工业合成方法，L－DOPA是一种对帕金森病有效的药物(发现者ACarlsson曾因此而获得诺贝尔生理学或医学奖)，通过改变膦配体中的手性基团结构，诺尔斯和他的同事们很快获得了成功，产物基本上是L－DOPA，反应产率达到了100％，其中L－DOPA占到975％。
野依良治的贡献
日本名古屋大学化学教授野依良治在开发普适性更广、效率更高的加氢催化剂方面做了大量的研究与开发工作，所获得的成果具有重要的意义。
1980年野依良治等发表了关于合成双膦配体BINAP的两种对映体的报告，BINAP和铑形成的配合物在某种氨基酸的催化合成时，可以得到纯度达100％的单一对映体。日本的Takasago International公司从80年代初起就将野依良治的催化剂用于手性香精薄荷醇的生产。但是野依良治却致力于寻找应用更广的加氢催化剂，当用另一种过渡金属钌(Ru)来代替铑(Rh)时，发现(Ru)(II)－BINAP络合物的催化加氢作用更为普遍，而且很快成为一种工业规模的催化剂。例如Ru－BINAP可用于生产抗生素奥复星(levofloxacin)的原料(R)－1，2－丙二醇。类似的反应在其他抗生素制造中也得到应用。
夏普莱斯与手性催化氧化反应
在手性催化加氢反应发展的同时，美国斯克里普斯研究所化学教授夏普莱斯(Barry Sharpless)开发了另一个重要反应——氧化反应的手性催化剂。氧化反应则可以往分子中引进更多类型的功能团，它为制造新的更加复杂的分子提供了更多的可能性。1980年夏普莱斯完成了从烯丙醇通过不对称催化氧化生成手性环氧化物的试验。在实验中，他用了另一种过渡金属钛(Ti)和手性配体做成的手性催化剂，从而使得产物中对映体的比例发生明显的变化。在有机合成中，环氧化物是一种极为重要的中间产物，因此夏普莱斯的发现在学术上和工业生产中都有重要的作用。
科学界普遍认为，夏普莱斯的发现是近数十年来在化学合成领域中最重要的发现之一。因此他获得诺贝尔化学奖并分得奖金的1/2(其余的1/2由诺尔斯和野依良治共享)是当之无愧的。
后 记
手性药物在药业中占有很大的份额，其2000年的销售额已达到1230亿美元，估计2001年将超过2000亿美元。由此可见，不对称有机化学合成方法的发明和发展，不仅是化学学科发展过程中的一件大事，对于社会经济和人类的保健也能够产生巨大的作用。某种化学合成方法的发明或开发，能够像这样同时在科学和社会经济两方面产生重大作用的事例，在化学发展史上是并不多见的。在此需要指出的是，上述几位化学家的发现对于工业进步所起的巨大作用中，新药合成只是其中最重要的应用之一，它在香料、甜味剂和杀虫剂的研究和生产等方面的作用也不可低估。今年的诺贝尔化学奖给人们的另一个重要启示是，从基础研究成果到工业生产应用未必一定要经历漫长的岁月。
目前，世界上有很多研究组都在致力于开发其他的不对称合成反应催化剂的工作，并且得到了很多重要的成果(例如，具有手性的抗癌药taxol就是其中之一。)。应当认为，他们的成绩和这几位诺贝尔化学奖得主工作的启发和激励有关。诺尔斯、野依良治和夏普莱斯的发现使有机合成方法宝库得到进一步的充实，不仅对化学学科的发展有重要意义，对于材料科学、生物学和药学等相关领域也同样有意义。在研究分子世界中那些尚未发现的或尚无法解释的现象时，他们的工作将能够为获得研究时所需要的新分子，特别是手性分子提供了更多的可能性与现实性。
【作者单位：清华大学化学系】
生理学或医学奖评述
申景平 刘立仁
瑞典卡罗林斯卡医学院10月8日宣布，将2001年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家利兰·哈特韦尔与英国科学家蒂莫西·亨特和保罗·纳斯，以表彰他们在细胞周期研究中的开创性工作。
利兰·哈特韦尔今年62岁，现任职于美国西雅图的弗雷德·哈钦森癌症研究中心。保罗·纳斯52岁，蒂莫西·亨特58岁，两人均为英国帝国癌症研究基金的研究人员。这三位科学家所作出的重大贡献在于发现了具有调节所有真核有机体中细胞周期的关键分子。他们的发现对研究细胞的发育有重大的影响，为癌症研究奠定了理论基础，将会给癌症的治疗带来新的曙光。
细胞周期
一个成年人大约由100万亿个细胞组成，这些细胞均来自一个细胞——受精卵。细胞在进行分裂之前长大到一定程度，必须进行各种必要的物质(包括染色体复制)准备，然后将两套染色体准确无误地遗传给两个子细胞，完成细胞分裂。然后这两个子细胞又开始新一轮的物质积累，准备下一轮的细胞分裂。如此周而复始，细胞的数量不断增加。细胞从一次分裂结束开始，经过物质积累，直到下一次细胞分裂结束为止，称为一个细胞周期。一个细胞周期可以人为地分为4个时期，即G1期(在DNA合成期之前与上次细胞分裂之后的时间间隔)、S期(DNA合成期)、G2期(在DNA合成期之后与细胞分裂之前的时间间隔)和M期(有丝分裂期)。
绝大多数真核细胞的细胞周期都包含这4个时期，只是时间长短有所不同。如哺乳动物细胞需要10～30小时。停留在G1期的细胞并不总是继续进行细胞周期，而是离开细胞周期进入静止期(G0)。
为了确保细胞周期有条不紊地进行，该过程受一系列细胞内外复杂因素的严格、精确调控，这对所有真核细胞生物而言至关重要。各时期必须按正确的顺序进行，运行次序一旦出错，就会导致染色体改变。两个子代细胞之间的染色体丢失或部分丢失、重排或不均等分配等，都有可能导致细胞死亡或细胞异常增生(如癌变)。
人们在100多年前就知道细胞通过分裂进行复制，但直到近20年才发现调节细胞周期性分裂的分子机制。以利兰·哈特韦尔、保罗·纳斯和蒂莫西·亨特为代表的一批杰出的生物学家，自70年代初，开始以酵母为材料对细胞周期调控进行深入研究。他们在分子水平上发现了细胞是如何从细胞周期的一个时期进入下一个时期的。基于他们在细胞周期调控方面开创性的研究工作，本年度诺贝尔生理学或医学奖授予了这三位科学家。
三位获奖者的开创性工作细胞周期基因的发现
在上世纪60年代末，利兰·哈特韦尔就已经用遗传学的方法研究细胞周期。他用芽殖酵母为材料来研究细胞周期。1970年至1971年间，他在不同的温度条件下培养芽殖酵母，分离、获得了数十个细胞周期基因发生突变的酵母突变体。随后他还发现了100多个参与调控细胞周期的特异基因，称之为CDC基因(细胞分裂周期基因)。其中一个为CDC28基因，可以控制细胞通过G1期的最初阶段，因此，CDC28又叫“启动点”(start)基因。另外，哈特韦尔还研究了辐射对酵母细胞的影响。在此基础上，他提出“监测点”(俗称“关卡”)这一概念，这些监测点检测DNA有无损伤或合成错误，直到检测无误，细胞才能进入下一周期，否则阻滞。
细胞周期基因的广适性
保罗·纳斯以另一种类型酵母——裂殖酵母为实验模型，用同样的方法研究细胞周期。虽然同为酵母菌，但二者的亲缘关系相去甚远，不仅分属两个菌属，从进化角度看，二者在10亿年前就已经分离。
70年代中期，纳斯发现了裂殖酵母的cdc2基因。他发现该基因在调控细胞分裂(由G2期转换到M期)中起关键作用。随后，他还发现cdc2与哈特韦尔发现的芽殖酵母的“start”基因具有相同功能。1987年，纳斯在人体细胞中分离出了与cdc2基因相对应的基因，并进一步发现这个基因编码的CDK蛋白(细胞周期蛋白依赖性激酶)是调节细胞周期的一种关键物质。因此，纳斯的先驱工作不仅是发现了调控细胞的机制，他还发现，这种机制适用于从酵母菌到包括人类在内的所有生物体。
随后不同的实验室相继分离出十多个cdc2相关基因，具有高度同源性。该基因编码的蛋白有两个共同特点：一是均含有一段相似氨基酸序列，二是它们均可以与细胞周期蛋白(cyclin)结合，并将细胞周期蛋白作为其调节亚单位，进而表现出蛋白激酶活性。因而它们被统称为CDK激酶家族。纳斯发现CDK激酶的激活依赖于该酶的可逆性磷酸化，即磷酸基团与蛋白质结合或分离。
细胞周期蛋白的发现
80年代早期，亨特等人以海胆为材料来研究细胞周期的调控。他们发现在海胆卵中两种特殊蛋白质的含量随细胞周期的进程变化而变化，一般在细胞间期内积累，在细胞分裂期内消失，在下一个细胞周期中又重复这一现象。他们将这两种蛋白质命名为细胞周期蛋白(cyclin)。随后这两种周期蛋白被分离和克隆出来，并证明广泛存在于从酵母到人等各种真核生物中，在进化中高度保守，具有高度的同源性。迄今在人体中已发现十多种不同的细胞周期蛋白。CDK激酶至少含有两个亚单位，即细胞周期蛋白和CDK蛋白。细胞周期蛋白为其调节亚单位，可以调节CDK激酶的活性；CDK蛋白为其催化亚单位，具有激酶的活性，并可以选择性对底物(蛋白质)进行磷酸化。CDK1通过使某些蛋白质磷酸化，改变其下游某些蛋白质的结构并影响其功能，实现对细胞周期调控的目的。
不难看出，上述三位科学家的研究成果之间存在着密切联系，具有连续性，后者是在前者的基础上更进一步地阐明了细胞周期的调控机制。他们的发现构成了细胞周期调节的分子机制的基本框架。在此基础上，已相继发现100多个与细胞周期有关的基因。CDK分子在细胞周期中保持非常恒定的水平，但是在细胞周期蛋白的调节下，CDK激酶的活性会发生变化。CDK和细胞周期蛋白共同驱使细胞周期从一个时期进入下一个时期。因此，可以形象地将CDK分子比做控制细胞周期的“引擎”，而把细胞周期蛋白比做控制“引擎”的“油门”。
应用前景
细胞周期调控机制将会在生物学、医学等诸多领域中得到广泛应用。它有助于阐明癌细胞的染色体不稳定性，这些染色体的改变可能为细胞周期调控异常所致。随着细胞周期调控机制的逐步阐明，我们可以清楚癌细胞的突变机制，并找到预测、诊断、控制或逆转细胞癌变的方法。目前，已有科研机构和大公司联手开发治疗癌症和其他疾病的药物(如CDK分子的抑制剂)。相信不远的将来，人类会找到治疗肿瘤的有效方法。
物理学奖评述
陈颖健
2001年10月9日瑞典皇家科学院宣布，将本年度诺贝尔物理学奖授予美国国家标准与技术研究所物理学家埃里克·康奈尔(EACornell)、美国麻省理工学院教授德国人沃尔夫冈·克特勒(WKetterle)以及美国科罗拉多大学教授卡尔·威曼(C. E. Wieman)，以表彰他们在稀薄碱金属原子气中实现了玻色－爱因斯坦凝聚以及在凝聚体性质方面的早期基础性研究。本文将介绍玻色－爱因斯坦凝聚的研究简史以及三位获奖者的主要贡献。
玻色－爱因斯坦凝聚及其实验研究简史
1924年印度物理学家玻色研究了“光子在各能级上的分布”问题，他以不同于普朗克的方式推导出普朗克黑体辐射公式。玻色将这一结果寄给爱因斯坦，请其翻译成德文并在德国发表。爱因斯坦意识到玻色工作的重要性，立即着手研究这一问题。爱因斯坦于1924和1925年发表了两篇文章，将玻色对光子的统计方法推广到某类原子，并预言当这类原子的温度足够低时，所有的原子就会突然聚集在一种尽可能低的能量状态，这就是所谓的玻色－爱因斯坦凝聚(Bose－ Einstein Condensation，BEC)，这时宏观量物质的状态可以用同一波函数来描写。从理论上讲，处在这种状态的物质在性质上有别于通常的气态、液态、固态和等离子态，故有人又称其为物质的第五态。玻色和爱因斯坦所采用的统计方法后来被称为玻色－爱因斯坦统计，而服从这种统计的粒子被统称为玻色子。
然而，并不是所有微观粒子都服从玻色－爱因斯坦统计，有一类粒子服从的是1926年诞生的费米－狄拉克统计，这类粒子被统称为费米子。费米子不同于玻色子，它服从泡利不相容原理，即两个费米子不能占据同一个态。利用这一点可以解释元素周期表。费米子之间相互排斥，这是一种量子压力，它在无任何外力时也存在。而玻色子的情况则相反，一个量子态上可以有任意多个粒子占据着。微观粒子究竟属于哪一类是由其自旋决定的，自旋为整数的如光子、胶子等是玻色子，而为半整数的如电子、夸克等则是费米子。
虽然超导体中的电子服从费米－狄拉克统计，但在某种机制下，电子与电子可以形成电子对，而电子对可以被看成是玻色子，电子对的玻色－爱因斯坦凝聚被认为是超导电性的根源。除了用于解释超流和超导外，玻色－爱因斯坦凝聚这一概念已经扩展到物理学的很多领域，如半导体物理学、天体物理学以及基本粒子物理学等。虽然超流和超导等都显示了玻色－爱因斯坦凝聚现象的存在，但这些系统都很复杂，凝聚现象只部分地发生在这些系统中，系统中的强相互作用也趋于掩盖玻色－爱因斯坦凝聚，理论和实验的定量都比较困难。
另一方面，自从1925年提出BEC以来，陆续有不少寻求BEC实验实现的研究出现。首先是提出的超流态液氦，后来的实验中确实看到量子简并的特性，但是由于系统中存在着强相互作用，很难看成是纯的BEC。接着1959年有人提出自旋极化氢原子气体可能是BEC的候选者，但至今仍未能在实验上实现。1980年，第三种重要的BEC候选者——氧化亚铜(Cu2O)中的激子被提出。经过10多年的努力，虽然于1993年在实验上观测到了，但是由于复杂的相互作用过程，BEC的特性得不到很好的研究。
激光冷却和捕陷原子
如何才能观测到玻色－爱因斯坦凝聚现象呢?爱因斯坦首先指出，理论上这需要原子的德布罗意波相互重合。这本来不是问题，但在形成玻色－爱因斯坦凝聚之前原子有可能就已经形成了分子。为了避免这种强相互作用，要求原子间的距离比化学力的范围要大，而且它们的德布罗意波仍能相互重合，即德布罗意波长大于粒子间的平均间距。这就要求相密度必须大于一定的值。在给定原子密度条件下，存在一个极限温度Tc，当原子气体的温度T小于Tc时，相密度大于规定的值，原子间的间隔小于德布罗意波长，原子气体将产生玻色－爱因斯坦相变。这些都对实验提出了很高的要求，如何增加原子相密度、降低原子温度也正是实验上实现玻色－爱因斯坦凝聚的关键。
在实验上，碱金属原子因具有简单的能级结构而在实现玻色－爱因斯坦凝聚的研究中备受青睐。80年代中期，激光冷却和捕陷原子的研究已取得长足的进步，几个研究小组提出了冷却的碱金属原子可以形成只有很弱相互作用的BEC。在不断克服实现BEC的一系列技术难题后，1995年碱金属原子的BEC终于在实验上实现了，这是BEC实验研究史上最重要的进展。
在过去的10多年中，激光冷却和捕陷原子技术的发展，使碱金属原子相密度增大了15个数量级，但距实现玻色－爱因斯坦凝聚所需的值仍小105～106倍。为了实现玻色－爱因斯坦凝聚，美国科罗拉多大学物理系的威曼小组使用了混合的冷却方法。他们首先用激光冷却气体原子技术冷却原子，并用磁势阱将冷却原子捕陷于势阱中，然后用蒸发冷却技术使原子的温度和相密度达到发生玻色－爱因斯坦凝聚的条件。
至今，激光冷却和捕陷原子的技术已有20年的发展史。从原理上讲，所有用激光去影响原子运动(冷却、捕陷等)的过程，都基于原子对光子的吸收、再发射，或者广义地说都基于散射而导致的反冲。1980年，全世界仅有几个研究小组进行这项工作，而现在已有100多个小组进行这项研究，原子气体的温度也从10－2K降低到10－2K。原子气体的温度在微观上对应于原子的平均速度，温度越高，原子的运动越快。室温下气体原子的平均速度约为每秒几百米，而实现玻色－爱因斯坦凝聚需要把原子速度降到每秒几厘米甚至更慢。离开了激光冷却与原子捕陷技术，这是不可能做到的。美籍华裔科学家朱棣文、美国科学家威廉·菲利普斯和法国科学家克洛德·科昂—塔努吉因为在激光冷却和原子捕陷方面的贡献，荣获了1997年诺贝尔物理学奖。激光冷却气体原子的原理可简单地概括如下：
——多普勒冷却机制，即利用原子运动所产生的多普勒频移来实现冷却效应。这种冷却机制受自然线宽限制，最低冷却温度可达到几十至几百微开(10－6K)。
——偏振梯度激光冷却机制，是基于光抽运、光频移等物理效应，在多能级原子系统中产生的冷却效应。原子飞过激光偏振状态不断变化的场时，总在不断地“爬坡”，将动能转化为势能，经自发辐射出蓝移光子而被冷却。偏振梯度冷却可使原子气体温度冷却到小于多普勒冷却极限，达到几微开至几十微开。
——速度选择相干粒子数囚禁冷却，是基于三能级原子在光的驱动下使原子处于相干叠加态，这时原子与光场脱耦，不再吸收光子，因而也无动量扩散。满足相干囚禁的原子速度接近于零，速度不为零的原子将吸收光子，原子动量将重新布居。只有当原子落入速度为零的相干叠加态时，原子才不再吸收光子而停留在相干叠加态上。这样，原子的动量可小于光子反冲动量，相应的气体温度可达10－11K。
与激光冷却技术同时发展起来的一种冷却原子的方法为蒸发冷却技术。这种方法是将平衡分布中的快速原子从陷阱中排除(蒸发)，在原子间弹性碰撞的过程中，达到新的准平衡分布。这时，气体的温度降低而且低速原子的密度增大。这是实现玻色－爱因斯坦凝聚的重要步骤之一。
如何使这些低速原子聚集在固定的区域内呢?囚禁超冷原子的技术起到了关键作用。目前常用的捕获原子的陷阱有两类，一类是光陷阱，另一类是磁陷阱。光陷阱的势垒深度较浅，在玻色－爱因斯坦凝聚实验中多使用磁陷阱。磁陷阱是由一对反向联接的赫姆霍兹线圈构成，其中心的磁场强度为零。对于寻找弱场的原子在磁势场中将受力而囚禁于陷阱中心。
在实现玻色－爱因斯坦凝聚的实验中，使用的是磁光陷阱，磁场用来束缚原子，而光场用来冷却和捕获原子。这种陷阱结构简单，造价低而且十分有效。囚禁的原子气体温度将小于1毫开(10－3K)，原子的密度为1010/厘米3。限制原子密度增大的因素是原子间的碰撞，特别是基态原子与激发态原子的碰撞。为了提高原子密度，美国麻省理工学院提出了暗点磁光陷阱，即在磁光陷阱中心超冷原子积聚的地方，减弱光抽运光强，使原子处于激发态的概率降低，由此来减小限制原子密度增加的因素，从而可收集到更多的原子，以增加原子密度。利用这种方法原子密度可提高到1012/厘米3。
然而，磁陷阱存在着一个严重问题，即由于磁陷阱的中心磁场强度为零，这里无磁场保持原子的排列，故囚禁的原子会漏出。此时，原子密度距产生玻色－爱因斯坦凝聚的密度小4个数量级。为了克服这个缺陷，美国科罗拉多大学物理系的康奈尔提出增加一个旋磁场，使磁场零点偏离中心。这样，超冷原子就可停留在中心，且永远达不到零点而漏出。这就是时间平均轨迹势阱。
另一个阻塞漏孔的方法是，用一个蓝移光束经过陷阱中心，因为蓝移光束对原子的斥力可使原子远离漏孔。最近的玻色－爱因斯坦凝聚实验采用约费型陷阱，效果很好。这种磁陷阱在轴向为磁瓶，而在径向为四极矩势阱，没有漏洞，这样就增加了原子在势阱中的数目。
在稀薄碱金属原子气体中实现玻色－爱因斯坦凝聚
在解释了激光冷却与捕获原子技术之后，下面以铷(87Rb)原子为例，描述一下1995年6月威曼和康奈尔小组首次实现玻色－爱因斯坦凝聚的实验过程。
首先在磁光陷阱中，利用激光冷却原子的技术冷却和捕获约107个原子，其原子密度为1011/厘米3，原子温度为20微开。这时去除激光，因为它已不可能进一步冷却原子和捕获更多原子。同时急剧地增加四极矩磁场，使原子的弹性碰撞速率增大约5倍，这时陷阱中存有4×106个原子，密度为2×1010/厘米3，温度为90微开。
然后开始蒸发冷却，用无线电频率的电磁场来完成释放处于高动能的原子，而剩余的原子经过弹性碰撞重新在能态上布居。经蒸发冷却后磁陷阱中尚有5×103个原子，原子密度达到3×1012/厘米3，原子气体温度达到170纳开(10－9K)。这时已达到产生玻色－爱因斯坦凝聚的条件，突然间出现玻色－爱因斯坦凝聚现象。
在经过60毫秒的膨胀后，用20微秒脉冲宽度的圆偏振光照射玻色－爱因斯坦凝聚原子，探测原子对光场的吸收，利用时间飞行方法测量原子的速度分布。这时用CCD照相机记录被原子吸收后光强的空间分布，从显示屏上可以看到速度为零的原子聚积为一个尖峰。从实验结果可以看到原子云的分布由两部分组成，即：中心处于动量凝聚态的原子和围绕着中心的非凝聚态的原子。凝聚的原子可存在约15秒。
在铷原子的玻色－爱因斯坦凝聚实现后4个月，美国麻省理工学院的克特勒小组实现了钠(23Na)原子的玻色－爱因斯坦凝聚，并且得到了凝聚的原子数为5×106个的结果。1997年1月，该小组在此基础上成功地实现了原子激光。所谓原子激光即相干原子束，就像两束激光一样，会产生明暗相间的条纹。他们用射频脉冲照射处于磁陷阱中的凝聚态钠原子，使原子从磁陷阱中的束缚态跃迁到非束缚态。原子在重力的作用下形成原子激光。对于普通激光，光子通过激发处于激发态的原子，发射与这个光子同步的光子，而使光得到放大。原子激光具有类似的机制，在被囚禁的超冷原子形成玻色－爱因斯坦凝聚过程中，类似的激发作用——“受激散射”起到了关键作用，使凝聚过程得到加速，从而证明了原子激光具有放大效应。
研究玻色－爱因斯坦凝聚的重大意义
玻色－爱因斯坦凝聚是独一无二的量子力学相变，因为它是在原子间无相互作用条件下发生的，因此它是重要的。在科学上，玻色－爱因斯坦凝聚对基础研究具有重要意义，它证实了存在一种新的物质态，为实验物理学家提供了一种独一无二的新介质；在应用上，科学家们已提出了很多设想：如改善精密测量的准确度，制造原子钟、原子干涉仪，测量原子物理常数和微重力；实现光速减慢、光信息存储、量子信息传递和量子逻辑操作；进行微结构刻蚀等。
例如，玻色－爱因斯坦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。凝聚体具有很好相干性，可以用于研制高精度的原子干涉仪，测量各种势场，测量重力场加速度和加速度的变化等。另外，以芯片技术为例，传统的芯片技术现已接近发展极限，因为目前的芯片都是利用普通激光来完成集成电路的光刻，而普通激光的波长是有限的。今后，如果利用原子激光来进行集成电路的光刻，将大大提高集成电路的密度，因此将大大提高电脑芯片的运算速度。随着对玻色－爱因斯坦凝聚研究的深入，也许它会像发现普通激光那样给人类带来另一次技术革命。
从实现玻色－爱因斯坦凝聚到获得诺贝尔奖只有6年时间，这在诺贝尔物理学奖授奖的百年史上是相对较短的。然而从爱因斯坦的预言到它的实现，物理学家却花了整整70年。*/
(《国外科技动态》2001年第11期)