2024年04月15日 星期一
诺奖大师的追“光”之旅
第58版:科技 2023-11-27
从仰望苍穹到微观量子

诺奖大师的追“光”之旅

陈冰

下图:近日,塞尔日·阿罗什现身第四期“浦江科学大师讲坛”,以“光的科学:从伽利略到量子物理”为题,向听众讲述了几百年的漫长岁月里,人们研究光、认识光、用光探索世界的动人故事。 摄影/成钊

上图:阿罗什说,在职业生涯中,对其影响最大的科学家是伽利略和爱因斯坦。 摄影/张怀艺

下图:卡斯特勒-布罗塞尔实验室成员合影。左三为卡斯特勒,左二为布罗塞尔,左四为阿罗什。

“热情、求知、直觉、机遇。”阿罗什总结出自己做科研的四个关键词。“这就是科学的魅力——我所从事的科学研究一方面来自于过去,另一方面,它也能够延伸到未来,历史给予我们很多机会,和很多的伟大科学家进行思维的碰撞,我们都因为光而着迷,科学事业是跨时间的。”

记者|陈冰

对原始人来说,光意味着白昼、意味着方向,对现代人来说,光是每天工作生活必不可少的元素。可以说,光伴随了人类进化和文明发展的每个阶段。作为物理学中古老的学科,光学又是当前科学研究中最活跃的学科之一,推动着人类对自然的认知不断深化和人类社会的进步。

对于法兰西公学院名誉教授、2012年诺贝尔物理学奖得主塞尔日·阿罗什(Serge Haroche)而言,光有着极为丰富的内涵。从立志成为天文学家,到倾尽一生探索光的科学,终将“薛定谔的猫”思想实验变为现实。2012年,因为研究能够量度和操控个体量子系统的突破性实验方法,阿罗什与美国物理学家戴维·瓦恩兰(David Wineland)共同荣获诺贝尔物理学奖。

近日,塞尔日·阿罗什现身第四期“浦江科学大师讲坛”,以“光的科学:从伽利略到量子物理”为题,向听众讲述了几百年的漫长岁月里,人们研究光、认识光、用光探索世界的动人故事。作为一位对于光充满着热情的研究者,有关光的科学故事激发了他对世界的好奇,作为操控个体量子系统的实验物理学家,激光是他职业生涯的最好帮手。

演讲结束后,《新民周刊》记者又与阿罗什聊了聊物理学家眼中的光,他们看待光,会不会与普通人有所不同呢?

科学家眼中的“光”

“我从年轻的时候,就为光的科学所折服和着迷。”而激起小小少年心中无限好奇的第一束光,来自于那个将望远镜对准星空的伽利略。

光有没有速度呢?这个问题现在看来毋庸置疑,但在伽利略的时代,却是未知之数。人们普遍认为光是无限快的。伽利略抱着对这个问题的好奇,进行过一些尝试,虽然尝试以失败告终,但是开启了测量光速的大幕。同时,他对木星卫星的观测,也为后来测量光速的科学家提供了一台“天然的时钟”。伽利略首次提出“光速可以被测量”,从而迈出人类探索光速的第一步。70年后,奥勒·罗默通过“木卫一蚀”现象的观测,首次证实了光速是有限的。

光是有速度的,那么,光到底是粒子还是波?

这个争论不休、旷日持久的问题,从17世纪开始,贯穿两个世纪,几乎与所有我们现在耳熟能详的物理学大师有所关联。在这个不断验证、不断反驳的过程中,人们对光的认识逐渐清晰,光的百变面貌在惠更斯、牛顿、托马斯·杨、菲涅尔、麦克斯韦、赫兹、爱因斯坦等科学家共同的探索和争论中渐渐明朗,人们对世界的认识也随之从牛顿时代进入量子时代。

17世纪,以牛顿为代表的粒子说和以惠更斯为代表的波动说两派僵持不下;19世纪初,托马斯·杨用双缝实验证明衍生光波遵守叠加原理,证实了光的波动性质。直到19世纪中叶,麦克斯韦提出光的电磁波理论,并且通过海因里希·赫兹的实验得到验证,由此统一了电、磁和光学。电磁波理论对光的本质作出了新的阐释:光和磁由同一物质触发,光是一种根据电磁定律在场中传播的电磁扰动。

20世纪初,开尔文男爵的“两片乌云”理论显现,人类进入相对论和量子时代。普朗克的黑体辐射定律使人类更加深入地理解电磁辐射的本质,爱因斯坦光量子说则帮助奠定了量子力学的基础。量子力学和相对论的诞生及其对光的研究所带来的巨大革新——在其后众多科学家的合力下,量子物理的“潘多拉魔盒”被人们打开。光的波粒二象性成为量子理论的基石,人们对光的本质的认识达成基本共识。自此,量子理论席卷整个物理学界,人类踏入了认识光、探索光的更高阶段。

阿罗什指出,科学基础研究的巨大突破离不开对光的探索,科学殿堂上最伟大的科学成就都与光相关。光的研究从最早的望远镜、棱镜到后来的各种波段的光源得以发明和使用、直至激光的诞生和发展,这些仪器的发明让我们可以实现更加精准的观测,不仅让我们得以更好地了解光的不同方面,也推动了物理学其它方面的研究,“这是一段漫长而迷人的历史”。

“从伽利略到量子物理,这是一条引人入胜的科学道路。”阿罗什说,“关于外部世界我们所了解的大部分知识,其实都来自于光。光的粒子性和波动性虽然在量子理论里弥合,但是,电子、原子和光子一样,展现出的纠缠和叠加等特性,更加令人迷惑。相比经典物理,量子的世界显得更加微妙。”

回顾科学史可见,所有研究者都是站在巨人的肩膀上,不断修正甚至推翻原有理论,才得以实现人类认知边界的不断突破,因此,“科学研究中没有永恒的真理,只有人类对世界不断修正的结论与逐渐深入的认识”。

身边的量子技术

如果说早期量子理论大都受益于对光的研究,那么到上世纪,量子理论则开始反哺光学,推动一系列突破性技术的发明和革新。

20世纪初,人们所作的一些如今看来天真又幼稚的“空想”,如今有许多已成为现实。从最早的晶体管,到后来的激光,都已经得到了广泛而实际的应用。现代生活中人们习以为常的电子计算机、核磁共振扫描仪、GPS里用到的原子钟等等,无一不以量子理论为基础。

而这在1900年量子论诞生的时候,完全无法预料。

所有这些发明当中,尤以激光最为特别。激光的本质是物质的聚变和蒸发、原子的冷却和捕获。激光技术的发展,使得光与介质相互作用的研究进入了一个全新阶段,光的“捕获”“存储”“囚禁”由不可能变为可能。“如果从地球向月球发射一束激光,再从月球反射回来,光的相位不会发生变化。”阿罗什举例阐释激光的超稳定性。

激光以其单色性、准直性、高功率、稳定性等独一无二的特性,广泛应用于物理、化学和生物学的基础研究,以及计量、医学、通信等领域,成为很多领域科学家探索世界的工具。

作为20世纪中期一项划时代的成就,1960年激光的发明和在这以后激光技术的发展,让科学家可以通过改变激光的频率,控制激光束的延续时间并使激光束聚焦到一个原子大小的范围。从这以后,实验技术和实验方法有了极大的发展,利用激光可以使原子或离子冷却到接近绝对零度,就是使它们的运动速度减到非常小,直至几乎停止。

著名的玻色爱因斯坦凝聚,就是借助激光,才得以在实验室中产生。借助激光,科学家让时间的度量越来越精确,让引力波的探测成为现实,还可以囚禁原子,探索量子计算的无限可能。例如,429太赫兹的可视量子钟,可以测量由于高度差异1mm而导致的速率变化,比GPS时间还要精确10万倍;再比如,激光干涉引力波天文台可以探测到13亿光年外两个黑洞的合并产生的引力波。”这是一个杰作,它可以探测到直径小于十亿分之一原子直径的镜子(相距4公里)的相对位移。”阿罗什评价道。

作为单量子系统操纵和腔量子电动力学方面的行家,阿罗什对激光和光子始终保有特殊的感情。利用激光束和超导材料铌,阿罗什对一个微波光子的囚禁时间达到1/10秒,利用一系列里德伯原子作为探测器,穿过腔体、和腔场进行耦合,阿罗什实现了非破坏性测量单个光子,即带走被捕获光子的信息,但是又不吸收光子。在和光的合作中,阿罗什做到了半个多世纪前薛定谔认为不可能实现的事情——在实验室中造出“薛定谔的猫”。

“基础科学和技术之间是共生的。”他总结道,伽利略望远镜和惠更斯摆钟的发明使得空间和时间的精确测量成为可能,在此基础上,光的特性被发现。人们对光的新认识,又不断促成更精确设备的发明,基础研究与技术革新之间形成的良性循环,帮助物理学家更高效、更精确地观察、证实或证伪。

如今,第二次量子革命已经拉开序幕,相较于第一次量子革命“只问量子理论能让我们做什么”,人类现在更多要探究“为什么”,并充分发挥主观能动性,利用叠加和纠缠等量子特性,在量子计量、量子通信、量子模拟、量子计算等领域大展身手。

未来,随着测量的手段不断进步,基础研究可以被推进到分子级、原子级,甚至更细。阿罗什期待道:“我们也可以使用这样的研究能力,去探索一些电磁科学和生物科学领域最前沿的技术。”至于量子计算机到底何时能够出现,阿罗什坦言“真的不知道”,但与“不确定性”共舞,是科学研究的特点,也是其最美妙之处。

“热情、求知、直觉、机遇”

1966年,20岁的他进入巴黎高等师范学院的卡斯特勒-布罗塞尔实验室,开启自己的研究生涯。这间实验室可谓大师云集——在阿罗什之前,他的导师卡斯特勒在1966年获诺贝尔物理学奖,实验室的另一位科学家布罗塞尔则是法国量子光学学派奠基人。

这些学界领军人物,给予了年轻人充足的自由和激励,这让阿罗什感怀至今,“我非常高兴,也非常幸运能够在这样的环境中受到熏陶”。

令他感到幸运的另一件事,则是激光的发明。阿罗什正是从激光技术发明之后开启了物理学研究。作为操控个体量子系统的实验物理学家,“激光为基础物理学和应用物理学的进步开辟了道路,而这在20世纪60年代是难以想象的”。他说。

2012年,阿罗什和美国物理学家大卫·维因兰德因“突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能”获得诺贝尔物理学奖。作为腔量子电动力学的行家,阿罗什通过量子技术,运用原子和光设计了一个现实中可行的实验,成功驯服原子和光子并观察到量子叠加。

他所发明的检测方法在观察的同时不介入,这让量子物理学创始人所设想的思想实验变为现实。那只曾经困扰物理学界多年的“薛定谔的猫”似乎终于可以在现实中被“捉”住了。

创举背后的驱动力到底为何?阿罗什在现场分享了做科研的秘诀。

“如果你要成为一名科学家,首先必须要有激情和热情,要对外部世界有探索的好奇心,必须能够在某些领域做非常深入的研究,对知识的探索与渴求有非常强烈的追求。”阿罗什相信,个人的倾情投入在科学的创新探索中不可或缺。

此外,要真正为现有科学带来革新,不仅要和同时代研究者们交流合作,也要向历史上伟大的科学先驱们追问学习,“如果你要做科学,必须要和一群才华横溢的科学家团体为伍,历史上那些星光熠熠的科学家,都会成为你不断激发热情、探索全新科学前沿的动力”。

“热情、求知、直觉、机遇。”阿罗什总结出自己做科研的四个关键词。放在历史的长河里来看,对于目光如炬的科学家来说,也不可能永远做出准确的判断。科学会出乎所有人的意料,上世纪60年代,阿罗什就认为激光一定会成为一种新的工具。但是今天,激光能做的事,远远超出了他当时的想象。

“这就是科学的魅力——我所从事的科学研究一方面来自于过去,另一方面,它也能够延伸到未来,历史给予我们很多机会,和很多的伟大科学家进行思维的碰撞,我们都因为光而着迷,科学事业是跨时间的。同时,我们对于科学的兴趣和努力,我们的好奇心、热情、知识,我们对于真理的探索,都可以与世界各地的科学家来进行分享。我深深感受到我们是整个社群的一部分,所以科学也是跨越空间的。”

阿罗什告诉记者,在职业生涯中,对其影响最大的科学家是伽利略和爱因斯坦。正如他在自己的新书《光的探索:从伽利略望远镜到奇异量子世界》(中文版)中所表达的那样,他们一个第一次用望远镜仰观苍穹,另一个基于诸多有关光的研究发现了相对论,帮助人们重新认识物质和时空的关系。而二者之间的漫长历史,就是人们深刻认识世界的迷人历史。“这些科学家和同时期的艺术家们一样,在历史上扮演了非常重要的角色。科技革命与文艺革命相伴而生,共同进步,人们才找到了一些新的方式来看待这个世界。”

塞尔日·阿罗什(Serge Haroche)

法国物理学家,1944年9月出生于摩洛哥。法兰西公学院名誉教授、法国科学院院士、欧洲科学院院士、美国国家科学院外籍院士、美国人文与科学院外籍院士、巴西科学院外籍院士。研究方向为量子光学和量子信息学,对量子光学中的量子电动力学研究做出过重要贡献,在实验量子力学领域享有盛名,被业内誉为腔量子电动力学的实验奠基人。

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