作者:李钊 来源:科技日报 发布时间:2012-10-11 12:20:25
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诺奖得主阿罗什的科学观:畅想量子的美好世界
 
10月9日,瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布,由于在量子光学领域所取得的杰出成就,法国科学家塞尔日·阿罗什和美国科学家大卫·瓦恩兰共同获得2012年度诺贝尔物理学奖。
 
塞尔日·阿罗什出生在摩洛哥卡萨布兰卡,父亲是犹太人,母亲是俄罗斯人,他的妻子则是一名人类学和社会学家,他的祖父曾在摩洛哥“法语联盟”从事法语教学工作。在他12岁那年,阿罗什举家迁居法国。
 
其实早在获得诺奖之前,阿罗什已经是法国乃至世界范围内量子光学领域的杰出人物。2009年,阿罗什获得法国国家科研中心金质奖章,以奖励他在量子光学领域的巨大贡献。2012年的诺贝尔物理学奖,让这位谦和、低调和热爱艺术的法国科学家再一次在世人面前“闪耀”。
 
他的名字永远镌刻在了巴黎高师的荣誉墙上
 
阿罗什就职于法国最负盛名的教育科研机构——巴黎高等师范学院,巴斯德、萨特、傅立叶、罗曼·罗兰、福柯、伽洛瓦等一个个在法国科技史、文化史上闪耀的名星,都曾在这所学校求学。而现在,阿罗什也像前辈们一样,把自己的名字永远镌刻在了巴黎高师的荣誉墙上。
 
由于是法国精英教育的标杆性圣地,巴黎高师在招收学生上向来慎之又慎,在笔试之后,还至少要经过三轮面试。而这所学校每年最终所录取的学生人数也不过区区几十人,所以学校各级学生和外国留学生的总规模一直控制在2000人左右。在法国教育界,一直流传着这样一种说法,只要拿到巴黎高师第一轮面试资格的学生,就可以去法国任何大学和研究所上学。巴黎高师的既往岁月中,诞生了无数的科学和人文艺术领域的大师,共计有10位来自物理、化学、经济学、文学领域的诺贝尔奖获得者和9位菲尔兹奖得主。
 
绘画与歌剧给予了他科研激情
 
阿罗什位于巴黎高师办公室的墙上贴满了各种图表和怪异公式,很容易让初次结识他的人产生错觉,阿罗什就是一个潜心量子物理的“科学怪人”。可实际上,阿罗什除了物理学,对绘画、歌剧等艺术领域也非常感兴趣。他在接受法国《世界报》采访时说,绘画与歌剧给予了自己科研的激情。他在科学与艺术之间找到了“共振”与“共鸣”。现代物理学本身就在晦暗莫测的领域里探索和研究,这和艺术领域里追求更新更高的突破并无不同,都是在追求各自领域里“神秘而有趣的东西”。
 
阿罗什艺术方面的兴趣最好的说明就是:有一次在维也纳举行的科学会议期间,他专门拿出一天时间去美术馆欣赏克里姆特和席勒的画作,他认为现在艺术家画作中反映出的 “兴奋”和“关注”正是量子物理学的核心追求所在。
 
阿罗什有着一双超乎常人的眼睛。对他来说,任何事物都不是非黑即白,世界万物都可以既是黑色又是白色。更妙的是,他认为一件东西并不是在这里或那里,而是既在这里又在那里。对他而言,门没有打开或关闭,它可以同时打开和关闭。阿罗什认为,探究一个生命是活着还是死了并无意义,生命可以同时存在活着的和死去的两种状态。而所有这些异于常人甚至惊世骇俗的观察和判断,正是来源于他长期在量子物理学领域的钻研和探索。
 
阿罗什认为,量子物理学是一个混乱的世界。但在这个矛盾的世界里却可以找到唯一确定性,那就是随机和最最直观的真理。
 
黑色的短发里夹杂着几簇银发,一直穿着深色衬衫,说话时惯用手势的阿罗什喜欢引领谈话者走进他的想法和世界。他说,正如艺术领域从印象派到立体主义的过渡不乏激进,现在物理学的研究也走过了一条不平凡的道路。一方面,经典物理学的定律依然适用于我们的现实世界,尤其是大型物体的规律和运行如行星和星系;另一方面,量子物理学的原则则更多适用于原子、基本粒子和无限小的物理学领域。相对而言,后者是一个更加广阔和神秘的空间。
 
阿罗什说,在量子物理学的层次上来看,材料可以定义为几个能量水平的一次“叠加”,而且由于物质双重性质的粒子性和波动,一个物体可以同时显示出现在不同的地方。不确定性是物质最本质和原始的状态,而人们一旦开始用科学的手段测量,为了得到物质的一个基本准确定义,则已经认为叠加了能量水平,那么这时得到和测出的物质已然不准确了。这就是为什么在日常生活中,受环境的影响,物质的状态一直是改变和不确定的,多个能量水平的叠加状态是如此短暂,普通科研器械根本难以捉摸。因此,在阿罗什看来,物体可以同时是白色和黑色,门既开又闭,而物质永远不死即物质不灭。
 
他选择量子光学作为主攻方向
 
20世纪60年代,光学物理经历了一场革命,物理学家在了解光捕获和处理问题上取得了重大突破,而那时正是阿罗什致力于量子光学研究的开始。在短暂的工程师和法国国家科研中心工作经历后,阿罗什选择来到巴黎高师,开始了自己在量子物理学领域的“探险”历程。他的研究偏重于原子之间的相互作用和辐射,阿罗什认为,了解世界最根本的依据来自周围的环境,而环境中所有的信息和能量物质传递都可以通过光的方式。所以在庞大的量子物理学领域,他又选择量子光学作为主攻方向。
 
在量子光学领域,爱因斯坦、玻尔等科学巨擘奠定了“理论虚拟思想实验”的基础,而量子力学之父——薛定谔则通过著名的思想试验——薛定谔的猫,将量子力学中的反直观的效果转嫁到日常生活中的事物上来。在前辈们研究的基础上,阿罗什通过艰苦卓绝但不无趣味的努力,成功地驯服原子和光子。他成功观察到量子叠加,弥补了实验室显示器实时观察连贯性时的损失。他发明的新检测方法在观察的同时并不介入,这样就不会破坏光子的传播。毫无疑问,这是一个杰作,一个伟大的创举。
 
在阿罗什的实验室里,林立的管道和气瓶都用铝箔牢牢包裹着,几乎所有的实验器材都是他和自己的同事学生亲手制成的。设备虽然简陋,但包含多项世界领先甚至独创的观测技术。
 
实验室的一面墙壁可以被冷却到接近绝对零度,而此时光子就可以被捕获到足够长的时间。要知道,光子在百分之一秒的时间里就可以反弹超过1亿次,行驶40000公里,这相当于绕地球一圈。阿罗什的创新实验方法,可以观察到光子运动在两个能量级之间过渡的一个小小转变的节拍,并捕捉到这个节奏转变中注入的原子,从而证明物质是能量层叠加的存在。
 
政府应重视和加强基础研究工作
 
量子力学研究的明天是什么?这听起来可能是一个过于功利性的题目。但实际上,量子物理学在信息时代价值日益重要且不可替代,海量信息系统维护和资料加密要求不断提高的今天,都需要量子力学的突破和进展。
 
在阿罗什看来,科学研究和经济利益不应该沾边,为了科学本身而研究,最终自然就会作用于人类共同的提高和进步。他认为,政府绝对不应该按照回报率和投入产出比来制定科研经费的分配,因为科学研究是“文化和文明的标志,是一门最最高贵的艺术”。
 
阿罗什呼吁政府要进一步重视和加强基础研究工作,这里面物质条件的困境还不是最主要的问题,最要紧的是不要通过资金分配的手段,打击青年研究人员投身于基础研究的积极性。目前科研领域把绝大部分资金投入到信息技术、新能源等所谓高精尖的前沿领域,而最基本、最基础的科学理论研究长时间得不到足够重视,这样的分配手法令人不安。他认为,基础研究的受益者是全人类,而最终也会反馈于经济社会,基础研究的成果才是真正的国家财富。
 
相关专题:2012年诺贝尔奖
 
 
 
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