作者:张梦然 来源:科技日报 发布时间:2012-10-10 11:10:29
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记2012年物理学奖得主:量子物理实验派双杰
 
10月9日下午,2012年诺贝尔物理学奖揭晓。瑞典皇家科学院诺贝尔奖评审委员会将奖项授予给了量子光学领域的两位科学家——法国物理学家塞尔日·阿罗什与美国物理学家戴维·瓦恩兰,以奖励他们“提出了突破性的实验方法,使测量和操控单个量子系统成为可能”。
 
诺奖官方网站称,塞尔日·阿罗什与戴维·瓦恩兰两人分别发明并发展出的方法,让科学界得以在不影响粒子量子力学性质的情况下,对非常脆弱的单个粒子进行测量与操控。他们的方式,在此前一度被认为是不可能做到的。
 
而这就是诺贝尔物理学奖此次垂青于两位实验派物理学家的原因。
 
进入量子光学的神秘之门
 
本届物理奖的两位得主戴维·瓦恩兰与塞尔日·阿罗什是同年生人。
 
塞尔日·阿罗什,1944年出生在摩洛哥卡萨布兰卡,1971年于法国巴黎的皮埃尔与玛丽·居里大学取得博士学位,目前在法兰西学院和法国巴黎高等师范学院任教授。在拿到本届诺贝尔物理学奖前,他已被业内誉为腔量子电动力学的实验奠基人。
 
戴维·瓦恩兰,1944年出生于美国威斯康星州密尔沃基,1970年于哈佛大学取得博士学位,目前作为研究团队带头人和研究员,就职于美国国家标准与技术研究院(NIST)与科罗拉多大学波德分校。瓦恩兰亦一直有着“离子阱量子计算实验奠基者”的头衔。
 
他们两人是量子物理实验派双杰。两人研究的范畴都属于量子光学,这一领域在上世纪80年代中期以后经历了长足发展,而他们的学术生涯一直在与单光子与离子打交道,研究光与物质在最基本层面上的相互作用。
 
曾经很长时间以来,实验派物理学家们想在一个微观层面上研究光与物质的相互作用,这完全是难以想象的事。因为,对于光或者其他物质的单个粒子而言,经典物理学已不适用,量子力学的法则在此时取而代之。但是单个粒子却很难从周围环境中被分离出来,并且,它一旦和周遭环境发生相互作用,便会立即丧失其神秘的量子特征。
 
如此让人束手无措的局面,使得很多量子力学理论所预言的怪异现象无法被科学家们直接观察到。于是长期以来,研究人员只能依靠那些法则已证明可能会影响到量子奇异特性的实验来进行观察研究。而这或许让实验派物理学家们感觉一直跟在理论的后边亦步亦趋。
 
真正改变实验物理学的人
 
扭转这一窘状的正是阿罗什与瓦恩兰,他们两人带领各自的研究小组,分别发展出理想的方法,用于测量并操控非常脆弱的量子态。
 
具体而言,两人所采用的方法既有共通特点亦各有精妙之处:瓦恩兰捕获带电原子(离子),随后使用光(光子)对其进行操控和测量,这些离子被放置在超低温中,防止被外界“打扰”。该方法关键在于巧妙的使用激光束以及激光脉冲抑制了离子的热运动,离子因此进入特定的量子叠加态中——叠加态正是量子世界最神秘的特性——从而保持住了单个粒子的量子特征。
 
而阿罗什虽然同样使实验处于真空和超低温环境,却采用的是完全相反的手段:利用原子对光子进行操控和测量。他将两面特制的、反射能力极强的镜子组成空腔,捕获住光子并让其在空腔中停留0.1秒——这点儿时间已足够光子在消失前绕地球一圈——这时他再让里德伯原子(比一般原子大1000倍的巨大原子)穿过空腔,每次通过一个里德伯原子,原子离开时,会“告诉”他空腔里还有没有光子。
 
试着分别去操纵一个光子与离子,借以深入洞察一个微观的世界——原本仅仅是理论学派的领域,正是塞尔日·阿罗什与戴维·瓦恩兰的研究“打开了新时代量子物理学实验领域的大门”。现在,借助他们的新方式,实验物理学家们得以操控粒子或对粒子进行计数。
 
实验、应用、改变人们的生活
 
但阿罗什与瓦恩兰的成就并不止于此。
 
在公布本届物理奖获得者后,诺奖组委会还介绍了两人的成果在应用层面上的意义。据组委会称,阿罗什与瓦恩兰在他们的研究领域采取了突破性的方法,产生其中一个应用是将建立起一种新型的、基于量子物理学的超快计算机,这或将导致极其先进的通信和计算模式。换句话说,这是向着研制具有惊人运算速度的量子计算机迈出了第一个脚步。科学家预想,或许,就在本世纪,量子计算机会彻底改变我们每个人的日常生活——正如经典计算机在上个世纪曾彻底颠覆每个人的生活方式一样。
 
而阿罗什与瓦恩兰的研究产生的另一个应用是:“会带来一种非比寻常的精准时钟,并在未来成为一个新的计时标准。”这种超高精度钟表的精确度将比今天所使用的铯原子钟高出数百倍。此前,世界最精确的时钟曾经就是瓦恩兰就职的科罗拉多州国家标准与技术研究所制造的量子逻辑钟,它的误差约为每37亿年1秒。
 
阿罗什与瓦恩兰展示了如何在不破坏单个粒子的情况下对其进行直接观察的方法,但他们做到的却不只是在量子世界控制住粒子,其带给人们生活的改变,将远超今天目力所能够看得到的。
 
那么,荣摘诺奖桂冠又是否改变了科学家本人的生活呢?据英国广播公司(BBC)在线版消息称,塞尔日·阿罗什本人仅仅提前了20分钟被组委会告知自己获奖的消息。
 
“我很幸运,”塞尔日·阿罗什说,但他指的并不是自己得奖这回事,“(接到来电时)我正在一条街上,旁边就有个长椅,所以我第一时间就坐了下来。”他形容那一刻的心情,“当我看到是瑞典的来电区号,我意识到这是真实的,那种感觉,你知道,真是势不可挡。”
 
不过据诺奖官网的推特称,阿罗什接到获奖的确切消息后,打了个电话给自己的孩子,然后开了瓶香槟庆祝,再然后,他又回实验室工作去了。
 
相关专题:2012年诺贝尔奖
 
 
 
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