11月5日,上海市浦东新区南七量子科技交流中心举办了以“Exploring the Light from Galileo to Quantum Physics”为主题的线下活动,邀请到了2012年诺贝尔物理学奖得主 量子物理学家Serge Haroche (塞尔日 • 阿罗什),阿罗什教授和我们分享了他和光的故事。中国科学技术大学陆朝阳 教授主持此次活动。
对于原始人来说,光意味着白昼、意味着方向,对于现代人来说,光更是每天工作生活不可或缺的元素。可以说,光伴随了人类进化和文明发展的每个阶段。那么,对于科学家,光又有着什么特殊意义呢?他们看待光,会不会与普通人有所不同?
这个问题对于法国物理学家塞尔日·阿罗什(Serge Haroche)来说,有着极为丰富的内涵。
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。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。
在昨日的墨子沙龙活动现场,当被粉丝问道“在职业生涯中,哪一位科学家对其影响最大”时,阿罗什给出了自己的答案——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。” 对于光的科学历史,阿罗什这样概括到。
除了自己的新书首秀,阿罗什还为墨子沙龙观众带来了一场精彩纷呈的科学报告。他用这个报告,向观众们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。
在阿罗什心里,故事的开头当然来自于那个将望远镜对准星空的伽利略。在这个故事里,有关光的科学历史,始终“定量地伴随着现代科学方法而诞生”。出于好奇,人们总是发明一些新的设备观察世界,根据观测发现,我们去建立模型,这个模型又可以预测新的现象。之后,这个现象又可以重新去证实这个模型,这就是现代的科学方法。在光的研究方面,同样不例外。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的了解光的不同方面,也推动了物理学其它方面的研究,包括催生了相对论和量子物理学。“这是一段漫长而迷人的历史”。
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。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”。
光到底是粒子还是波呢?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。
随着两朵乌云的显现,人们进入相对论和量子时代,之后的故事更加精彩纷呈,科学理论和技术突破彼此激发,人类的文明有了更理性的基础。阿罗什将量子论的诞生比作打开一个潘多拉魔盒——光的粒子性和波动性虽然在这里弥合,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。
从量子理论起步,人们发展出种种突破性的技术,根本上变革着生活方式。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,现在, GPS里用到的原子钟、核磁共振的扫描仪,我们生活中用到的诸多量子技术,在1900年量子论诞生的时候,完全无法预料。
这其中,激光因其单色性、准直性、高功率、稳定性等特殊性质,成为很多领域科学家探索世界的工具。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。
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”。
站在今天,回头再去看伽利略和牛顿的时代,阿罗什依然认为他们是非常优秀的科学家,“牛顿在理论的角度做出了很大的贡献,只是他当时提出的一些理论局限于当时人类的知识范围,随着时间的推移,需要通过爱因斯坦让这些理论知识得到进一步的完善,这也是科学研究得以进步的方式。在牛顿和伽利略的时代,他们提出了一些非常了不起的理论,包括后来出现的相对论,其实早在伽利略时代就埋下了种子。”
放在历史的长河里来看,对于目光如炬的科学家来说,判断是不是永远准确呢?答案是否定的,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。”