物理學家埃裡克·康奈爾（Eric Cornell）即使年輕時也不是什麼運動健將，只能說是一個俊秀的文弱書生。他1961年出生時父母都是斯坦福大學的研究生，其後便在大學校園環境中長大。他是在人到中年之後才對跑步感興趣的。他任職的科羅拉多（Colorado）大學所在的伯德市每年春夏之交舉行著名的“大膽伯德”（Bolder Boulder）萬米競賽，他一年不拉地參加。幾次跑下來，他發現可以達到一個不大不小的目標：讓自己的萬米長跑成績（以分鐘計算）低於自己的年齡。2004年之際，當時42歲的他跑出了50分47秒的成績。那時他正值壯年，跑步成績在提高，同時年齡也在增長，可以說達到他的目標是指年可待了。然而，就在那年十月份，他的命運發生了重大轉折。
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玻色-愛因斯坦凝聚
筆者認識康奈爾的時候大約是1990年代初。那時我還在物理學界做博士後，有個機會到意大利參加一次別緻的學術會議。之所以別緻，是因為其人員組成很有意思。會議規模不大，只有三四十人，卻涵蓋了物理學界幾乎所有領域。從天體物理、高能物理到凝聚態均薈萃一堂。會議的主題是討論玻色-愛因斯坦凝聚，或更確切地說，是在哪一個領域可以率先直接觀察到這個奇特的物理現象。
還是在量子力學初具規模的1920年代初期，印度一位名不見經傳的物理教師玻色（Satyendra Nath Bose）寫了一篇論文，認為量子論中的光子與經典概念中的粒子不同：如果多個光子處在同樣的量子態上，它們之間會沒有區別、不可分辨。因此它們遵從一種特殊的統計分佈。雖然玻色用他的新統計思想成功地推導出當時令所有人頭疼的普朗克輻射定律，他的論據是如此地離經叛道以至於其論文被所有的科學期刊拒絕。無可奈何的玻色把論文直接寄給了愛因斯坦（Albert Einstein）尋求支持。愛因斯坦如獲至寶，不僅親自將玻色的論文從英文翻譯成德文，推薦給當時最權威的德國物理雜誌，而且自己還寫了一篇論文推廣了玻色的理論，要求同時發表。愛因斯坦認為玻色的新統計不僅適用於光子，而且適用於原子，是量子力學中所有粒子都應該遵從的統計規律。（當時還沒有發現自旋和泡利不相容定律。量子世界中的粒子最終會被分成兩類：符合上述統計的——自旋為零或整數的——玻色子和另一類自旋為分數值的費米子，後者遵從與玻色統計不同的費米統計。）
玻色統計最有意思的便是粒子的不可分辨特性。如果有大量的粒子處在同一個量子態上，這些粒子將不再是一個一個的單獨粒子，而成為一個怪異的整體。有人把這個整體稱作是“超原子”，但一般就直接叫作“玻色-愛因斯坦凝聚體”。在通常條件下，原子只有在氣體狀態時才可以忽略它們之間的相互作用而進行統計分析。但氣體溫度很高，原子按照其動能分佈在不同的能量態上，並不能實現玻愛凝聚。一旦降溫，氣體變成液體乃至固體，其間相互作用顯著，便失去了進行統計分析的前提。因此，玻色和愛因斯坦的這個預言提出70多年間雖然一直被高度重視，卻也無法直接驗證。
間接的證據卻有很多。大家最為熟悉的是超導體：某些金屬在一定溫度之下可以在傳導電流時沒有任何阻抗。電流是通過電子的運動傳導的，雖然電子自旋是分數，屬於費米子，本來與波愛凝聚扯不上關係，但兩個電子可以通過金屬體內原子排成的晶格作用構成一個“電子對”。這樣的電子對的總體自旋或者為零（兩個電子的自旋相互抵消）或者為一（相互疊加）都是整數，因此為玻色子。在低溫下，大量的電子對進入波愛凝聚狀態成為一個整體，便是實現無阻尼的超導現象的內在根源。但這樣的電子對並不是能夠直接觀測的實體——形成電子對的兩個電子之間的實際距離往往比金屬內電子之間的平均距離大很多。因此它在一定程度上只是一個數學模型，無法對波愛凝聚態做直接的觀察研究。
與超導相類似的是液氦的超流現象。我們知道的所有元素在溫度從高到低的降溫過程中都會經歷氣態到液態到固態的狀態變化，只有氦除外。氦原子之間的吸引力非常小，原子本身又非常輕，即使把溫度降到接近物理上可能的最低溫度——絕對零度（攝氏零下273度）——氦仍然呈現於液態。只有在這樣的極低溫時再施加很強的壓力才能使得氦凍成固態。就在這接近絕對零度的極低溫下，液氦會突然進入超流狀態——其液體流動時沒有任何粘滯阻力。通常所說的氦是原子數為4（氦-4）的玻色子，其超流相變的確很可能就是波愛凝聚的結果。但遺憾的是，液態的氦顯然不是統計力學裡喜歡採用的“理想氣體”。雖然氦原子之間作用力極弱，但還遠遠不是沒有相互作用，不能直接應用波愛統計理論。確實，對超流狀態下的液氦做中子散射實驗時發現其中處於波愛凝聚態的原子大概只佔全部原子的百分之十左右，而這時幾乎百分之百的液體都已經處於超流狀態。（氦還有一種原子數為3的同位素，是費米子。氦-3也會進入超流狀態，但需要比氦-4更低得多的溫度。作為費米子的氦-3也是通過類似超導中的電子對那樣的“配對”機制實現這個相變的。）
還有眾多的更為間接的波愛凝聚範例。那個會議上最熱門的是一位教授對半導體材料中某種激發子的測量，認為他觀測到了激發子的波愛凝聚。激發子不是真正的物理實體，也屬於數學模型。因此雖然其結果很有意思，卻也沒有被完全認可為對波愛凝聚的直接觀察。而其他專家們更是百花齊放，從物理學各個領域闡述對這一神秘現象的探測。最有意思的一位宇宙學家，上來就說不明白你們這些人費這麼大功夫在這裡吵個啥。他們早就明確知道我們所賴以生存的宇宙本身就是一個波愛凝聚體。
但無論如何，對波愛凝聚最理想的觀測狀態還是近似於理想氣體的稀薄氣體狀態，也就是需要在保持氣態的情況下將氣體降溫到接近絕對零度的極低溫。激光製冷便是為此設計的一個實驗手段。
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激光製冷
康奈爾那時和筆者一樣是博士後，剛從麻省理工學院（MIT）畢業不久到科羅拉多大學工作。我們會上會下經常在一起。他個子不是很高，但瘦長清秀，非常健談。在大學期間，他曾經花了近一年時間到中國大陸和臺灣教英語並藉機學習中文，試圖以此為業。但所幸的是他最終還是回到了物理學領域。因為是小字輩，會議沒有安排他發言。他所從事的激光製冷領域是由他原來在麻省理工學院的導師介紹的。因為大會上的介紹比較過於抽象，康奈爾在一次吃飯時間坐下來在一張餐巾紙上畫了個簡圖，專門給筆者開了個小灶。
在通常情況下，熱量是通過傳導、對流、蒸發和輻射等手段傳輸。讓一個物體降溫便需要將其所含有的熱量傳輸出來。當物體的溫度降到一定程度，這些手段都會逐漸失去效用。對流是流體內部的熱量傳遞，與降溫關係不大。低溫的物體幾乎沒有熱輻射。蒸發雖然總是存在的，但蒸發在帶走熱量的同時會失去一部分已經降溫的材料，因此不能作為降溫的主要手段。傳導更是不可能：在極低溫的情況下，實驗材料的溫度比外圍容器要低得多。傳導只能導致其溫度升高，因此需要避免或減小。在這樣的條件下，激光製冷幾乎成為唯一的途徑。
激光是因為頻率同一而聚集性能非常好的光束，可以將強大的能量集中在很小的地方。因此激光在工業界有很多應用途徑，甚至可以製成武器摧毀敵方的導彈等目標。正因為如此，用激光來製冷似乎是南轅北轍。然而，激光製冷的原理也正在於激光傳輸能量的定向性和可調性——激光可以提供大量步調一致、特定頻率的光子。
早先，波爾（Niels Bohr）在構造其原子結構的經典模型時曾假設原子只能吸收和發射特定頻率的光。愛因斯坦更進了一步，認為那是原子與帶有特定能量的單個光子相互作用的結果，並據此奠定了量子世界中原子與光相互作用的機理——原子通過不斷地吸收和發射光子與周圍的電磁環境達到熱平衡。但能夠與原子實現相互作用的只是那些頻率與原子能級躍遷共振的光子。也就是說，光子的頻率必須與原子的兩個狀態之間能量差相同時才能被原子吸收或發射，其它頻率的光子則只能與該原子“擦肩而過”。
也還是愛因斯坦首先指出，光子雖然質量為零，卻仍然具有動量，其動量大小與能量一樣取決於光的頻率。當原子吸收光子時，除了得到光子的能量，還得到光子的動量。動量與能量不同的是它具有方向性，因此不是簡單的相加。原子本身也在運動，如果光子從後面追上原子，被吸收後就像從後面推了原子一下，原子本身的速度會稍微增大一點。反之，如果同樣的光子迎面撞上原子，原子受到阻礙，速度便會減低一點。因為原子的質量很大，從光子那裡獲得的動量幾乎微不足道，所以速度的改變是微小的。然而集腋成裘，如果一個原子屢屢被光子迎面相撞而吸收，原子的速度便會逐步減小。因為速度正是其熱運動的表現，速度的降低便意味著溫度的下降。
不過原子本身的熱運動是隨機的。如果光子來自一個方向，有的原子會被迎面相撞，有點則就被從後面推上一把。這樣有的被減速，有的則被加速，並不能達到整體的降溫效果——除非原子只能吸收迎面來的光子而對後面追上來的光子置之不理。
恰巧的是，這也是能夠做得到的。
學過中學物理的人都知道多普勒效應：如果一輛火車鳴笛開行，其到來時汽笛聲會比較尖利，離去時汽笛聲卻會比較低沉。當然火車的汽笛本身並沒有改變，但站臺上的人聽到的汽笛發出聲音的頻率卻因為相對運動而改變了。光和聲音一樣具有波動性，也會產生多普勒效應。當原子與發光的光源有相對運動時，原子所“看到”的光子頻率並不是光子的固有頻率，而是因為原子與光源之間的相對運動而改變了的頻率。原子“看到”的迎面而來的光子會因為原子朝向光源運動頻率提高。反之，後面追來的光子頻率則降低。這樣，如果把作為光源的激光調整一下，使其發出的光子的頻率並不與原子共振，而是比共振頻率略低一些，但恰恰在與原子迎面相撞時因為多普勒效應正好與原子共振。反之，與原子同一方向運動的光子頻率會因為多普勒效應更遠離了共振頻率。這樣原子就會只吸收迎面而來的光子了。
當然，以上描述的是理想狀況。實際上，原子本身的速度和光子的頻率都有一定的分佈，它們之間並不是絕對的是否能吸收，而是吸收的可能性大小不同。通過微調激光的頻率，可以做到原子吸收迎面而來的光子的幾率遠大於吸收後面追來的光子的幾率。這樣，原子每吸收光子一次，便因為撞擊而減速一次。長期積累，其速度越來越小，也就是溫度越來越低。
原子吸收光子後會自發或受激發射出光子回到基態，這樣才可能再度吸收光子。原子發射光子時會因為動量守恆而反彈，也會改變速度。如果發射的光子方向與原子運動方向一致，反彈的效果也是減速。反之則會令原子加速（變熱）。因為發射光子時方向是隨機的，其效果平均下來相互抵消，並不影響整體的降溫效果。
在1990年代初期，激光製冷的技術已經有了十多年的歷史。那時物理學家不僅能使用激光把原子的速度降得很低，還能“鎖定”單個原子，用激光束控制它的運動，隨心所欲地牽著其鼻子轉悠。但在稀薄氣體狀態同時降溫大量的原子令其發生波愛凝聚還是一個新課題。
康奈爾當時正在設計這樣的一個裝置。他準備用電磁場將大量銣原子以稀薄氣體狀態懸浮在空中，不與任何容器接觸。然後用多束激光同時以計算好的角度照射，在各個方向都有光子去撞擊中間的原子。這樣，一個個原子的熱運動速度被逐漸減慢。他的設計還可以在最後時刻“打開蓋子”，讓比較熱的原子蒸發出去，這樣剩下的原子便都是極低溫的氣體，正是實現玻愛凝聚的理想材料。
會議的最後一天是自由發言，與會者濟濟一堂，爭先談論會議中提出的一些熱門話題。筆者注意到旁邊的康奈爾坐立不安。他一會兒在紙上寫著畫著，一會兒低頭默默地念念有詞，躍躍欲試地想舉手發言。但最後還是放棄了。通過激光製冷原子氣體來達到波愛凝聚的想法也沒有人在那會上認真提及。
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人生變故
那次會議過去幾年之後，筆者已經告別了學界開始IT打工生涯，與物理學漸行漸遠了。1995年，康奈爾的大名上了新聞，他設計的實驗獲得了巨大成功，把銣原子冷卻到了170納度以下。那是人類所知的世界裡從來沒有達到過的低溫，距離絕對零度只有1.7/10000000度的距離。在那個溫度以下，他們觀測到處於零動量附近的銣原子數目突然大幅增加，形成一個醒目的團體——正是人們等待了70來年的波愛凝聚體。當時，康奈爾年僅33歲，正值新婚燕爾。
這一成就是如此輝煌，僅僅6年以後，康奈爾和他的合作者卡爾·威曼（Carl Wieman）以及另一位同期實現了波愛凝聚的物理學家就榮獲了2001年的諾貝爾物理學獎。（在這之前，朱棣文（Steven Chu）和另外兩位物理學家已經於1997年因為在激光製冷技術上的貢獻獲得了諾貝爾獎。）
康奈爾獲得諾貝爾獎時才剛剛人到中年，正是春風得意之時。但他不久卻厄運臨頭。
三年後——也就是他在萬米競賽中跑出最好成績的2004年——的一天，康奈爾突然覺得左肩膀疼痛難忍，不得不去醫務室檢查。那裡的醫生沒發現什麼問題，給了他一點止痛藥和一個吊帶，讓他自己掛起胳膊、冰敷了事。第二天他痛得暈了過去，被送進急救室。找不到病因的醫生不得不緊急實施手術切開他的肩膀，意外地發現裡面大片的肌肉已經死亡。那是一種非常罕見的食肉細菌的傑作。對這種細菌的侵蝕沒有治療手段，唯一的辦法是切除已經感染的部分以阻止進一步惡化。醫生切除了他的左手臂，又進一步切除了肩關節，然後是切除鎖骨和肩胛骨，才看見健康的肌肉。最後，他們還不得不從腿上切下健康的皮膚來縫合失去了整個肩膀的巨大傷口。但幸運的是，他的命保住了。
康奈爾手術後兩個半星期才從昏迷中醒來。他幾乎無法自主呼吸，不得不施行氣管切開術。更不能自己坐起來。但他保持了樂觀和堅強的精神，一步一步艱難地走上康復的道路。
雖則九死一生，康奈爾還是很快就回到了他的實驗室，繼續從事教學和科研工作。他的左臂不見了，整個身體失去了平衡而不得不很彆扭地向右傾斜。但他還是沒有忘記他的夢想。手術後才七個月，他便再一次出現在“大膽伯德”的跑步者行列裡。只是他沒能真的跑，而是陪同他當時8歲的女兒一起走下了那一萬米的征途。他們總共花了2個小時。
三年之後，已經46歲的他又跑出了53分35秒的好成績。下一年——2009年——他進步到52分43秒，又一次看到了實現夢想的希望。
但希望並不一定意味著成功。也許因為他的跑步姿勢過於怪異——他說，如果我跑步的樣子把別人嚇著，那就讓他們見鬼去吧——他的膝蓋和腳跟陸續出現傷痛，成績開始下降。2010年他的成績是1小時5分51秒。
然而，2011年，49歲的他跑出了50分5秒，超越了過去的最好成績。2012年，50歲的康奈爾成績是49分41秒，一舉實現了年輕時的目標。
他也沒有就此滿足。2013年5月27日，51歲的他再次跑出49分47秒的成績。
同時，物理學界對波愛凝聚的研究也在不斷地取得進展。凝聚體不再侷限於康奈爾的那少得可憐的銣原子氣體。科學家們陸續用多種不同的原子氣體實現了波愛凝聚。1999年，光子的波愛凝聚——玻色最初研究的粒子——也被觀察到。2003年又實現了分子氣體的波愛凝聚。其後不久，在由費米子構成的氣體裡也觀測到了（通過“配對”機制實現的）波愛凝聚。這一歷史悠久的理論預測已經成為物理世界的普遍現實。
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