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2022-2023

从伽利略到量子世界,诺奖得主Haroche为您讲述光的历史
发布时间:2023-12-05    1249   

内容来自墨子沙龙活动“Exploring the Light from Galileo to Quantum Physics”(2023年11月5日)上的演讲。演讲嘉宾是诺奖得主Serge Haroche



















看完本期视频,关于光的历史,你有什么想说的,可以在评论区留言与我们互动。我们将抽取三位幸运观众,送出诺奖得主阿罗什的新书《光的探索:从伽利略望远镜到奇异量子世界》。



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我非常高兴能够来到这里,和大家谈论我最喜欢的话题之一,那就是光。当然,我们知道光对我们来说非常重要。我们从自然界获得的几乎所有信息都来自光。你们在这里看到我,看得到屏幕,都是因为光。而我们对宇宙的了解,几乎都是通过来自恒星和行星的光传输的,所以这是一个令人着迷的主题。事实上,我今天的演讲将受到我在书中所写内容的启发,这本书已经在中国出版,标题是《光的探索:从伽利略望远镜到奇异量子世界》。在这本书中,我有两个目标。

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首先,我想谈谈我的个人经历,作为一个从一开始就对光充满激情并且非常幸运的研究人员的故事。我很幸运能够在一个实验室开始我的职业生涯:你们看到20世纪60年代这个实验室的照片(下图),在这个实验室里,我的老师们给了我非常好、引人入胜的关于原子物理学和光与物质相互作用的课程,这是我拥有的一种幸运。另一个幸运是我职业生涯开始于激光发明的时候,激光被证明是一种极好的实验工具,可以用来做实验并发现关于自然的新事物。

我在这本书中的另一个目标,是追溯自17世纪以来人们对于光的认识的历史。事实上,现代科学始于17世纪,伽利略、哥白尼等人的工作首次使用严格的数学来解释世界。我将向你们展示这个漫长的历史是如何开始的,以及如何引导我们到达了现代。

事实上,这两个故事在我看来是相互关联的。如果你是一名科学家,你一定会对之前人们所做的一切感到着迷。牛顿说过一句著名的话,即今天的科学家坐在伟人的肩膀上看世界。所以我们所做的一切都基于几个世纪以来所获得的知识。这些知识并不是以线性方式获得的,其中也包含了错误和对错误观点的纠正。

几个世纪以来,科学通过理论与观察之间的来回推进,并在发现错误时进行修正而不断演变,这就是我的故事。我希望通过谈论光的历史,给你们一些关于这个过程的想法,所以我将它称为从伽利略到量子物理学。

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在20世纪60年代,我刚进入这个实验室时,那时恰好是Alfred Kastler获得诺贝尔奖的时候。Kastler在这里,他旁边是 Jean Brossel,是他的同事和合作者。另一边是当时年轻的教授Claude Cohen-Tannoudji,他是我的日常指导老师。我也标记了自己的位置,因为我不确定你们能否认出我当时的样子。我想说当时对于进入这个令人激动的实验室,我感觉到非常正确、充满热情。那时的研究在全球范围内得到了认可,Kastler发明了光泵浦的方法,这是一种用光来操纵原子磁矩的方式。因此,我们可以看到光泵浦是我们现在使用的所有方法的“祖先”,用于研究物质和操纵物质。那是一个非常有趣的时代。

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同时,那也是激光刚刚被发明的时候,我们在20世纪60年代的实验室里看到了第一束激光光束,那在当时非常令人惊讶。自然光是向各个方向传播的,而激光则是定向、强烈且单色的。从那时起,我们就明白使用激光而不是传统的灯,我们可以做很多事情。我们能够想象到我们可以做些什么,但我必须说即使在我们当时最疯狂的梦想中,我们也无法想象激光如今已经实现了的那些成就。在过去的半个世纪里,我们能够实现的成就绝对是令人惊叹的。

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所以我经常被问到我为什么决定成为一名科学家?科学事业是如何开始的?我能给出的答案是成为一名科学家通常是由激情、好奇心和直觉的结合决定的。你必须对世界充满好奇,并希望通过获取新知识和发现新事物来为世界做出贡献。当然,运气也是其中的一部分,在这种职业中,运气也起到一定的作用。此外,与他人分享兴奋感也非常重要,因为你们参与了一个共同的冒险。我在法国工作,我知道在中国,这里有很多同事和科学家都怀有相同的好奇心,我将与他们交流。在我整个职业生涯中,我一直被这种想法所激励,就是与生活在不同地区、具有不同文化背景、但对真理和科学怀有相同热情的人一起分享知识。这也是我们与过去共享的东西。实际上,我们都深刻地感受到自己是过去共同体的一部分。

在我今天讲述的故事中,这个过去可以追溯到17世纪。

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这段历史让我们有机会结识许多伟大的思想家,这些著名的科学家以不同的方式对光感兴趣。从17世纪开始,比如有伽利略、笛卡尔、费马、惠更斯和牛顿等人;在19世纪有托马斯·杨、奥斯特、菲涅耳等人研究光的干涉现象;随后将光的研究与电磁学、激发态相结合的是安培和法拉第;麦克斯韦最终发展了光的电磁理论。20世纪也见证了许多著名物理学家如普朗克、爱因斯坦、玻尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克、费曼等的研究工作。所有这些人以这样或那样的方式研究光,试图理解光是什么。

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总的来说,关于科学,这个故事教会了我们什么呢?

第一点我想强调的是,光的研究历史伴随着现代科学方法的诞生。这种方法基于观察现象、通过定量实验重现现象、并尝试用数学模型进行建模。一旦建立了模型,它就能预测新的现象,如果这些现象被观察到,就证明了该模型的正确性,如果没有观察到新的现象,就需要放弃该模型并寻找另一个模型。这种科学方法在光学和力学等领域都被使用,并且重要的一点是它采用了数学语言。

另一个我想强调的重要观点是,基础科学和技术之间存在着非常紧密的联系。基础科学源于好奇心,我们希望发现解释周围世界的定律,然后从这些定律中,我们发明新的设备、新的机器,以便更好地掌握世界。特别重要的是,我们需要发明能提高测量精度的仪器。例如,伽利略望远镜和钟摆时钟的发明,它们能够以极高的精度测量空间和时间,正是为了满足新的发现所需的精度。因此,我们需要技术来发明设备,同时,当我们拥有这些设备时,它们可以进行更精确的测量,并在基础科学中发现新的事物。这形成了一种良性循环,将基础科学与应用科学联系起来。

对光的认识驱动了许多仪器的发展。比如牛顿发明的反射望远镜,被世界上所有天文台使用;为了进行观察,他还发明了棱镜,可以将白光散射成彩虹般的颜色,这是光谱学的开端,帮助我们理解19世纪的原子和物质结构。在20世纪,人们发明了激光等新的光源,在激光之前,射频和微波光源也是不可见光的一种,它们具有相同的性质,都是电磁波,这些发明在现代世界中得到了广泛的应用。我想强调的另一个事实是,一旦实验的精度达到足够高,就会揭示出一些令人困惑的光学现象,这些现象无法用经典物理学来解释,这也催生了相对论和量子物理学的诞生。爱因斯坦在这个故事中扮演着重要角色,他的相对论理论受到了伽利略思想的启发。所以可以说,我今天给你讲的故事从伽利略延伸到爱因斯坦。这是一个历史悠久的故事,有其逻辑转折和曲折。

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为了强调实验、发现和新仪器之间的紧密联系,我想介绍两种仪器,它们在我看来是现代物理学的起源。一种是伽利略望远镜。望远镜是一个带有两个透镜的管子,可以放大你观察的对象的大小。尽管望远镜不是由伽利略发明的,但他是第一个将其用于观测天空和进行天文发现的人。第二种仪器是钟摆时钟,由荷兰科学家和工程师惠更斯开发,钟摆时钟可以提供精确的时间测量,这在进行实验和观测中非常重要。事实上,惠更斯利用了伽利略的发现。伽利略发现钟摆的周期是一个常数,并且在很大程度上与振幅无关,而是取决于钟摆的长度。伽利略有了这个基本的想法,但惠更斯是钟摆时钟的发明者,它可以让我们以相对较高的精度计算时间。惠更斯的钟摆时钟以每天大约10秒的精度保持时间,意味着每天它会误差约10秒。所以如果你等待1个月,它就会误差几分钟,以此类推。这对当时来说是相当高的精度,但与今天的时钟精度相比毫不相干,这得归功于我们对光的更好理解。有了这两种仪器,首次测量光的速度成为可能。

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回到光的历史,测量光速的问题,实际上伽利略在17世纪初对这个问题感兴趣。当时,包括法国的笛卡尔在内的许多人都认为光是瞬间传播的,因为光传播得太快,无法测量传播所需的时间。但伽利略直觉上认为光的传播时间一定是有限的,就像声音传播一样需要一些时间。因此,为了找到答案,伽利略尝试了一个非常天真的实验。伽利略曾经在托斯卡纳山上进行了一个实验,他拿着一个灯笼,并用手或布把灯笼遮住。然后他揭开灯笼,并让几公里外的助手在看到光线之后也揭开自己的灯笼。他等待着信号回复的时间。然而,由于光传播得非常快,伽利略只能观察到心理延迟,即助手发现事物所需的一点时间。因此,伽利略放弃了测量光速的尝试。他没有说光是瞬间的,他只是说光速太快了,无法测量。

但这是物理学的机缘凑巧,他使用了望远镜,这个工具最终使测量光速成为可能。伽利略将望远镜对准天空,观察到了木星和它的卫星,这是一个惊人的发现。他注意到木星周围有四颗卫星围绕其旋转,它们存在于一个平面上。伽利略观察到这些卫星会消失在木星背后,然后再次从木星的阴影中出现。他认识到这是一个自然的时钟,因为它们按照开普勒定律的规律旋转,可以用来制定一种全球时间。这为今天我们拥有的世界时提供了起源,只是通过观察天空中的木星。

因此,天文学家被要求测量最靠近木星的卫星——木卫一从木星背后重新出现的时间。丹麦天文学家罗默在巴黎天文台工作,记录了这些时间并制成表格。他使用望远镜进行测量,并用惠更斯的时钟来记录时间。他测量了卫星的周期,并观察到每个旋转周期之后,下一个周期会稍微变长或变短,这取决于季节。在木卫一公转期间,地球在其轨道上朝向或远离木星运动。他理解了这一点,并绘制了这样一幅图(上图右下),这是现代天文学中最早的一些天文图之一,用来解释发生的情况。

事实上,你可以看到下面的圆圈代表地球围绕太阳的轨道,而上面的圆圈代表木卫一围绕木星的轨道。你会注意到木卫一在D点从木星背后出现,然后它绕行并再次在D点出现,以此类推。主要的观察是,在木卫一转弯时,地球在其轨道上从A点移动到C点,因此光线必须经过更长的路径传播,相比之前的公转时间更长。因此,周期的延长实际上是由于光传播, 在6个月内,木卫一累积的延迟约为17分钟,他指出,6个月的累积延迟是光绕地球轨道直径传播所需的时间。17分钟的延迟超过了惠更斯的时钟精度,这意味着如果惠更斯的时钟哪怕再差一级,他将无法观测到任何现象。基于此,他能够估计光速,因为同时在17世纪,通过测量火星在天空中的位置和巴黎与卡宴(法属圭亚那)之间的角度差,地球轨道的直径已可以确定。通过三角测量,可以计算出火星到地球的距离,并结合牛顿和开普勒的定律,得出地球绕太阳的轨道。可以看到,在这个时候,很多关于光速的知识被凝练了出来,还有关于太阳系大小的知识,这是对光速的第一次估计,发现光速约为每秒200,000公里,就比实际的差了30%,但它仍然是正确的数量级。

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在17世纪存在着关于光的两种相互矛盾的理论。惠更斯,也就是开发第一个钟摆时钟的人,认为光是波,是第一个提出光是波的理论的人。他认为光就好像声音也是一种波,它可以传播,波峰之间的距离被称为波长,波长与光速成正比。他认为光是会形成光波的,它会涉及到一定的光速,光传播的速度,也就是说在一定的周期当中去传播,这就是光波。惠更斯画了一个简单的草图(上图左)来解释光从空气射向水时会发生的情况,当光线射向水面时,在水面上产生波纹,这些波纹在水中扩散,但它们在水中更加密集,这表明水中的光速小于空气中的光速。通过绘制这个小几何图(上图),他发现波形倾向于异常传播,也就是入射角大于折射角,这也是众所周知的笛卡尔光学定律。然后通过这样的观测,惠更斯提出了一种假设,即光是一种波,在水中的传播速度比在空气中慢。

然而,这个理论受到了当时著名物理学家牛顿的挑战,他认为光是由粒子组成的,光是粒子流像小子弹一样。他解释说,沿着表面的速度分量不变,因为沿着表面没有力,但垂直于表面的速度分量会变化。如果你希望内部的折射角小于入射角,你必须承认粒子在介质中的速度比在空气中更快,光在水中飞行比在空中快。通过这种方式,他复原了折射定律,即所谓的斯涅尔-笛卡尔正弦折射定律。

可以看到这两种解释完全不同。在惠更斯的解释中,入射角和折射角的正弦之比与光在空气中与在水中的速度之比成比例,并且它大于1。在牛顿的解释中,情况正好相反,速率决定了光在水中的速率超过了空气中的速率,但当时没有人能够测量水中的速度,由于牛顿比惠更斯更为人所知,在整个18世纪,人们相信光是由粒子组成的,而忘记了波动理论。

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19世纪初, 情况发生了变化。这两位绅士,英国的托马斯·杨(T. Young)和法国的奥古斯丁·让·菲涅耳(A. Fresnel)在19世纪初发现了干涉现象。当将光束分成两部分并重新合并时,观察到干涉效应,即在某些地方有强光,而在其他地方是暗的。这种干涉和衍射现象与机械波或声波类似,只能通过波动理论来解释。例如,在(上图)右边的图中,你可以看到一个圆盘的衍射现象。如果你向圆盘上发送一束白光平面波,并观察阴影,你会看到很多条纹,在阴影的中心会有一个亮点。这些现象只有通过波动理论才能解释。因此,人们逐渐意识到光确实是一种波,惠更斯是正确的,而牛顿是错误的。

然而,这也引出了问题:光的波是由什么构成的,它们在哪种介质中传播?举例来说,我们知道液体表面上的波动在液体中传播,例如我们知道水面上会有一些涟漪。我们知道声波在空气中传播。但对于光线来说,情况并非如此。即使你抽真空,光也会穿过真空。所以当时人们想象有一种叫做以太的神秘介质,它充满了所有的空间和宇宙。因为光在宇宙中的自由空间传播,而以太具有神秘的特性,所以这是一个大问题。

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然后在19世纪中期,可以比17世纪更精确地测量光的速度,不仅在空气中,而且在水中。这是一个排除粒子理论的决定性试验。我想在这里给你们看两个实验,这是两位法国物理学家在19世纪中叶完成的,斐佐和傳科。事实上,他们利用了伽利略的想法,但和伽利略不同,他们是用的是现代科技。

你知道斐佐是怎么做的吗?他在一个快速旋转的齿轮的边缘发射了一束光束,齿轮上有齿缝,所以每次光束到达一个齿缝的前面,都会有一点点光出来,形成光脉冲。该光脉冲通过望远镜被转换成平行光束,并发送到几公里外。望远镜还将光线集中在一面镜子上,使光线可以反射回来。但在光线来回传播的过程中,齿轮已经转动了,齿轮转动的速度对应于光来回传播的时间,齿缝被一部分光束取代了。通过计算齿轮的圈数,并且知道斐佐的这个齿轮上的齿缝数量,以及望远镜、镜子和光源之间的距离,斐佐能够估计光速,并得到了一个接近之前天文学中已知速度的值。但这只是在地球表面几公里的距离上进行的第一次测量。

然而,这仍然不能解答水中速度的问题,因为在当时,装满超过15公里的一管水是不可能的。因此,傅科改变了实验方法,在实验室内进行了第一次测量。在这个实验中,光束从右向左传播,并照射到一个快速旋转的小镜子上。小镜子将光线发送到一个抛物面镜上,并将其反射回来。但是在光线从旋转的小镜子到凹面镜的过程中,小镜子稍微转动了一点点角度。因此,它以稍微不同的角度将光线送回,并通过分束器反射一部分光线到目镜上,你可以观察到光线入射点的微小位移。通过测量位移、小镜子的旋转频率和光传播的距离,你可以迅速得到光速的值。傅科找到了一个接近斐佐实验测量结果的值。

但后来他修改了实验装置。他有两面镜子,一面在这里,另一面在那里。在下面的轨道上他放了一根装满水的管子(上图右)。因此当光线返回并用目镜观察时,他看到焦点略有偏移,当光穿过下轨道和上轨道时,它在下轨道中移动得更多,这意味着光需要更多的时间,光在水管中来回传播,他能够测量到水中的速度,每秒224,000公里,比空气中还小,这证明了波动理论的正确性,光在空气中确实比在水中传播得更快,那是十九世纪最先进的工艺。

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我现在要谈谈在另一个领域取得的进展,在1820年至1840年间电动力学取得了突破性进展,尽管它与光学看似完全不同。人们开始观察电流现象。意大利的伏特发明了这种电池并将其与导线连接,产生了被称为伽伐尼电流的电流。人们很快认识到,电线中的电流会屏蔽并对指南针上的磁铁产生作用,使指南针旋转,这意味着电流会产生磁场。相反地,如果你在电流的存在下移动磁铁,它会产生电流。因此,磁场产生电流,电流产生磁场。先驱者分别是丹麦的奥斯特、法国的安培和英国的法拉第。法拉第将其可视化,发明了电场和磁场的概念。矢量填充空间,并且实现了电力线和磁力线的具象化,被小指南探针和小磁铁条的电荷所呈递,因此我们引入了这样一种观点——空间充满了电场和磁场。事实上这个想法是由麦克斯韦阐述的。在19世纪的后半部分,麦克斯韦将法拉第和安培的发现结合在一起,略微修改了安培定律,并将它们整合到麦克斯韦方程中。这些方程描述了电场和磁场如何在空间中相互作用和传播。电场的变化会产生磁场,电场的变化又会产生磁场,以此类推。

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事实上,电磁波的速度可以由一个简单的公式给出,即,这是由库仑和安培在本世纪初发现的。真空介电常数和真空磁导率分别与电荷间产生的力和电流间产生的力有关。当麦克斯韦进行这个数值计算时,他发现电磁波的速度为每秒308000公里。这里是伦敦皇家学会展出的手稿,麦克斯韦的手稿在幻灯片的顶部,我已经用蓝色和红色圈出了(上图)。麦克斯韦计算得到的光速和傅科刚刚测量得到的光速十分接近。麦克斯韦总结称,这不可能是巧合。对他而言,这意味着光就是电磁波。事实上,他在手稿的结尾给出了这个总结。结果的一致性说明了光与电磁场是同种物质造成的影响。光是一种遵循着电磁定律穿过介质的电磁扰动。我认为这是物理学中的第一次大统一。存在电和磁现象,而它们与光学结合在一起。这是麦克斯韦在1865年完成的一门非常伟大的科学。

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光是一种电磁场。你可以画出电场和磁场传播的平面波。在这种传播中,你有一个与序列相对应的波长。事实上,你能用眼睛看到的光,仅位于预期的光谱范围内一个很小的波长窗口。麦克斯韦预测,在更长的波长下也有电磁波,被称为无线电波。其波长远大于可见光的波长范围。赫兹在1885年观测到了无线电波,然后这些无线电波就引出了你能想到的所有应用,如无线电广播等等。至于光谱中更短的波段,十年后,伦琴发现了X射线。X射线是波长很短的辐射,可以穿透物质。这就引出了著名的X射线照相术,正如你在这里看到的那样。和无线电波一样,X射线也有很多应用。

我在演讲开头提到了某种联系——基础研究的新发现能预测新现象,然后这些新现象被观测到,这就证明了这一理论的正确性。新的现象催生了实用的新发明,而这些发明正在改变我们的生活方式,所以这催生了无数革命性的技术。但更重要的是,它提出了关于光的、新的、令人困惑的问题。这在二十世纪初引出了相对论和量子物理理论的发现,也开启了对宇宙学的新理解。

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事实上在1900年,当时伟大的物理学家开尔文勋爵刚刚在伦敦皇家学院做了一个演讲。他的演讲以这句话开篇,“动力学理论断言热和光是两种运动,它的美和清晰现在被两朵乌云笼罩。”开尔文勋爵指出,有两种现象不能用麦克斯韦方程、热力学和力学这些经典物理定律来解释。其中一朵乌云,就是以太之谜。你应该还记得,在19世纪,人们认为光在被称为以太的介质中传播。随之而来的问题是,地球也在以太中运动,如果你在地球上,就处在一个运动参考系中。如果你在相对于以太运动的参考系中测量光速,你应该得到一个大于或小于以太中光速的速度,而以太中的光速可以由麦克斯韦方程给出。所有试图捕捉这种效应的实验都给出了否定的结果。事实上,无论地球沿着光束方向移动,还是垂直于光束方向移动,光在地球参考系下的传播速度都是相同的。这是一个令人困惑的结果。

而爱因斯坦用相对论解决了这个难题。他说,光速是自然公理。因此,对于所有观测者来说,无论他们是否移动,光速都应该是一样的。这是伽利略的旧思想,伽利略将它用于力学,而爱因斯坦把这些力学定律推广到了光学。但这有很大的后果:这意味着如果光速对于所有观测者都相同,那么不同的观测者的时间流逝速度不同。即时间与观测者有关,距离测量结果也与观测者有关。这是相对论的一个理论。这个理论可以推广到广义相对论:大质量物体能弯曲时空,而对时间和距离的测量取决于你相对于大质量物体的位置,并且根据你距离大质量物体的远近给出不同的测量结果。这是一场经典物理学的大革命。依据牛顿的理论本应该通用的时间,变为与观测者有关。这就是第一次革命。它来自于第一朵乌云,即以太之谜。

第二朵乌云被称为紫外灾难,与测量被加热物体发出的光的光谱有关。当你加热一个物体时,它在室温下就会发光。但是如果我关掉所有的灯,我们什么也看不见。因为物体发出的光位于光谱的红外部分,我们的眼睛对它不敏感,但红外相机可以在室温下看到物体发光。如果你加热一个物体,它就会开始发出可见光。例如,如果你加热一块金属到1000°C以上,它会变红。在更高的温度下,光谱会向波长更短的方向演化,即向着绿色、蓝色以及紫外线演化。我们可以利用麦克斯韦方程组和热力学计算出被加热物体的光谱。但得到的结果是荒谬的,结果显示随着波长越来越短,光会变得越来越强。这就是紫外灾难:该理论在小波长下给出了巨大的能量,且能量随着波长减小而增大,最终发散。这当然与观测结果相反。为了解决这一灾难,人们需要改变一些根本的理论。普朗克发现,如果假设光确实在与物质交换能量,但是是交换一份份离散的能量,就能得到与实验结果相符的理论。每一种频率的光子携带一份能量,每一份能量与频率之比为普朗克常数。这是量子物理学的开端。

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而做出这两次革命的人是爱因斯坦。1905年,他写了两篇著名的论文,一个是关于相对论的,另一个是关于辐射中光的量子化。我没有时间谈论相对论,但我会专注于第二点。事实上,在1905年的论文中,爱因斯坦解释了刚刚被发现的光电效应现象。这种效应是,如果你把光照射在一块金属上,它会发射电子。但这是一个非常奇怪的定律:如果你用的光是红光,即使你照射大量的红光,你也得不到电子。另一方面,如果你照射非常少量的蓝光,就会有电子发射。因此这里有一个阈值效应:存在一个阈值波长,低于这个波长,就有电子射出;高于该阈值,即频率更低,则没有电子射出。爱因斯坦理解为,光是以光子形式量子化的,需要有一个最小的能量才能提取出电子。这意味着一份光的能量必须比这个最小的能量大,额外的能量就是发射出的电子的动能,其中为光的频率。他预测,如果你能测量动能关于频率的函数,你会得到一个阈值,且图像的斜率即为我们需要的普朗克常数(上图)。几年后密立根证实了这一点。这就是1921年爱因斯坦获得诺贝尔奖的原因:他提出了光是由叫做光子的粒子组成的这一想法。

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但我现在想说的是,尽管发生了这些重大革命,1900年,没有人能够想象未来的技术会是什么样的。事实上,在1900年,在巴黎有一个大型的世界博览会。在博览会上,人们被要求想象2000年的技术会是怎样的。你可以看看人们做出了什么样的预测,我只在上面给你们展示一下(上图)。你可以看到这种明信片,它展示了预测中人们在2000年取暖的方式。你可以看到一个壁炉,在壁炉中间放了一块镭,需要用镭的辐射来取暖。我认为这必然将是一种非常危险的方式。它使用了核能,但是又与核电站毫无关联。你也可以看到他们认为在2000年如何邮寄信件:一架小飞机把信件送给阳台上的人们。它与我们今天使用的电子邮件相去甚远。

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所以他们只是在推广当时的技术,完全无法预见这些从量子理论中产生的技术。计算机中充满了晶体管。电流的传播、晶体管的机理、隧穿效应都来源于量子性质。激光也是当人们了解了光与物质的相互作用时产生的一项发明。对于绕地球旋转的卫星中的原子钟,这种原子钟不仅需要量子物理学作为理论基础,还需要相对论来纠正原子钟得到的结果,因为卫星和地球上的时间流逝速度不同。另一个例子是磁共振成像,也是许多量子技术的结合。所以这些在1900年是完全无法想象的。

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让我们来谈谈量子物理学,这里面有什么奇怪的地方?事实上,如果你仔细想想,爱因斯坦在某种程度上调和了惠更斯和牛顿的观点。你无法逃避光是一种电磁波的事实,干涉效应被观测到了,因此光具有波动特性。但是它也有粒子的特性,这已经通过光电效应表现出来了。这是惠更斯和牛顿的观点之间的一种调和。但按照经典物理学,这是很难理解的。这种二相性实际上延伸到了物质。1923年,德布罗意假设电子、原子等其他微小颗粒同时表现为波或离散实体。所以这意味着什么呢?与粒子相关的这个波的振幅模平方,是在空间中的每个点观察到粒子的概率。这是经典决定论的终结。这意味着你只能预测事件发生的概率,但是又不能确切地预测。这是爱因斯坦不喜欢的想法,但这就是量子物理的内涵。

换一种说法,粒子轨迹的位置和速度在你观察之前没有任何物理实在。只要你不尝试确定这个粒子的位置,它表现为波的形式,并引起干涉现象。如果你试图确定它的位置,就必须改变你的实验设置。这种改变对系统进行了扰动以至于干涉现象消失。然后你会在这个或那个位置发现这个粒子。这对于经典物理学来说是非常奇怪的,它由态叠加原理描述。这告诉我们,只要你不进行测量,粒子可以同时处于空间中的几个点,或者同时具有不同的能量,或者光子也可以同时具有不同的偏振。当你进行测量时,你就强迫一个系统决定它在哪里,它具有多少能量,或者它的极化方向。但是,你会失去所有与叠加相关的性质。这也引出了纠缠原理:两个粒子相互作用,如果你在一个粒子上做了一些事情,并对这个粒子进行了测量,这会立刻影响另一粒子的测量结果。当然,所有这些都通过你们听说过的陈述来表达,比如海森堡不确定性原理或玻尔的互补原理。因此,它开启了一个比经典物理学要微妙得多的世界。

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在本次演讲的最后,我想重点谈谈激光。激光是在人们了解光与物质的相互作用时发明出来的。爱因斯坦在1916年写了一篇关于受激发射的著名论文。在论文中他说,如果你把原子激发到激发态,它们可以一起发射光。这些光都有相同的模式,相同的方向,相同的频率,相同的极化方向。这被称为受激发射,它是激光发明的基础。但我强调一个事实,从爱因斯坦的想法到发明出第一个真正的设备花了50年的时间。关于激光,我们能说些什么?我喜欢把激光描述为驯养的光,与经典光源的“野生”光相反。在经典光源中,光子随机向所有方向发射,具有随机的极化方向、随机的频率,分布在很宽频谱上。在激光器中,所有的光子都以相同的方向发射,具有相同的频率,相同的极化。这完全改变了你能用它们做的事。

首先,激光的光强可以很强。如果你把光聚焦在物质上,就可以蒸发物质,制备等离子体。你可以得到你能想到的最高温度,即数百万度。你甚至可以引发核反应。另一方面,如果你巧妙地使用它,你可以用激光在极低的温度下冷却物质。如果一个原子朝一个激光束运动,它会与激光交换动量。这样它就失去了速度,你就可以让原子静止。你可以用光在空间中的不同位置捕获非常冷的原子。这就是制备宇宙中最冷物体的技术。在非常低的温度下,玻色子进入一种新的物态——玻色-爱因斯坦凝聚。事实上,这也是爱因斯坦在1923年发现的。经过75年的时间,玻色-爱因斯坦凝聚才能在实验室中被制备并研究。所以这是利用激光拥有高功率这个特点,也有一些应用来源于激光束是超稳定的振子。当光传播数百万公里时,激光束在振荡过程中可以在不跳过任何节拍。所以这是一种非常非常稳定的辐射。你可以使这些光束相互干涉,产生延伸超过几纳米,持续几阿秒的超短光脉冲。阿秒就是10-18秒。事实上,一秒内的阿秒数与宇宙年龄内的秒数一样多。今年的诺贝尔物理学奖授予了那些一直在制备阿秒脉冲并用它得到许多有趣发现的科学家。例如,研究分子或固体内部电子的运动。我想说的是,激光是一种非常灵活的工具,能用于物理、化学和生物学的基础研究,也能用于计量、医学和通信等领域。

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在演讲的最后,我就给大家举几个例子。一个例子是现代原子钟。现代原子钟对激光场的振荡进行计数。激光束以429THz的频率振荡,即4×1014Hz。这个钟的原理如(上)图所示。这幅图是在博尔德工作的叶军给我的,他因发明了这些光学钟而获得了科学突破奖。我在这里给出它的原理:激光正在激发光学晶格中的冷原子,在(上)图中以蓝色显示,激光与这些原子相互作用并稳定在原子跃迁的中心频率,也就是我在这里展示的频率。这种原子钟在宇宙年龄尺度上的不确定性大约为1/20秒,而宇宙的年龄大约是1018秒。如果两个原子钟在宇宙开始的时候启动,时至今日,它们之间的差异不会超过1/20秒。这比GPS中使用的时钟精确十万多倍,而GPS的时钟已经非常精确了。如果你想将原子钟与17世纪的惠更斯钟进行比较,它比惠更斯时钟精确10¹⁵倍。惠更斯制造的这个时钟促成了对光速的第一次发现。这些钟促使我们得到一些关于光的非常有趣的发现。

由于引力场中时空的曲率,时间取决于地球上的海拔高度。如果你将原子钟上下移动仅1毫米,钟的时间流逝速度将略有不同。这点差异能被原子钟探测到。这意味着,如果钟有约几厘米的大小,其顶部和底部的时间会不一样。这让我们想起了萨尔瓦多·达利的这些著名画作,他谈到了软的钟表。事实上,钟是软的在这里指它在不同的位置上测到的时间不同。这也是原子钟的一个应用。你可以用它来验证相对论,也许还可以探测地震:因为如果有一些物质在地里移动,因为两个时钟位于不同的点,他们的结果会开始不一致。这可能地震前兆的一个信号。因此这可能有一些实际应用。

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我想强调的第二个应用,是在巨大的干涉仪中传播的激光束。他们有点像测量引力波的天线,能够检测到反射镜之间距离的微小变化,这是引力波通过的信号。我只是在激光物理学的背景下快速展示一下。我想表达这样一个事实:这已经是一个壮举了。当他们测量反射镜的相对位移时,这两个反射镜相距4公里,而精度小于原子直径的十亿分之一。这是一个很高的位置精度。它开辟了天文学的一个新领域,你现在不仅可以探测到光波或电磁波,你也可以用这种方式探测引力波。又一次,两位因为引力波探测获得诺贝尔奖的人基普·索恩和巴里·巴里什在这里发表了演讲。在我发表演讲之前,我就看到了他们在墨子沙龙演讲时的片段。

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正如我所说,你也可以用激光一个接一个地控制原子。在大卫·维因兰德的实验室,五个铍原子锁在势阱中。在奥地利R.Blatt的实验室里,你可以看到1430个钙离子,其中每一个都可以被认为是量子位或量子比特。它通过对信息进行编码来保存一些信息,处于0态和1态的叠加。这就是我们所谓的小型量子计算机或原子算盘的基础。它可用于处理量子信息,因为你不仅可以在0态和1态上处理信息,而且可以在0态和1态的各种叠加态上处理。这是用来探索利用这些原子进行量子信息处理的可能性的系统之一。

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我再就自己对这一奇遇的贡献说几句,它被称为腔量子电动力学。当爱因斯坦和玻尔在20世纪20年代初讨论量子物理定律时,他们想象你可以把一个光子储存在一个盒子里,并试图测量光子从盒子里逃逸的时间,然后研究这个是否在量子物理和观察到的现象之间引入了一些矛盾。这是著名的爱因斯坦-玻尔光子盒。事实上,我们所做的就是实验复现这种盒子,并用它来研究态的叠加和纠缠,即在实验中实现这个思想实验。而量子技术使这些成为可能:我们用激光来制备原子;用计算机提取和分析数据;用超导腔将光子长时间存储在盒子里。

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这是这个实验的原理(上图)。我们有两个面对面的镜子,它们涂有铌,这使它具有超导性。因此,我们避免了镜子处的损耗。然后微波光子在这些反射镜之间反弹很长一段时间。原子一次一个地被制备成里德堡态,即非常激发的状态。它们一次一个地穿过腔,并且从腔中提取信息。我们做了很多实验,我们可以观察到叠加态。我们也观察到纠缠,即原子和腔中的场纠缠在一起,这种纠缠在原子离开腔后仍然存在。我们还能够制备叠加态。你可以在这里看到一种空腔中的光子态,它同时具有两相,这两个峰值对应于两个相。在两者之间有干涉条纹,表示系统处于这两种量子态叠加的事实。我们可以研究当时间演化时这种量子叠加是如何因退相干而消失的。(见视频1:01:27)如果你观察这些干涉条纹,你会发现它们在演化。1013毫秒内,它们就会消失,从态的量子叠加转变为态的统计性混合。这就是薛定谔的这只著名的猫的故事,它既是死的又是活的。而在某个时刻,死态和活态之间的相干性消失了。如果你想造一台量子计算机,这将是一个非常重要的现象。

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我想是时候总结了。人们说,我们正在进入第二次量子革命,将直接利用叠加、纠缠的概念来做有用的事情。我们能做什么有用的事情呢?量子计量学,利用量子态的脆弱特性测量微小效应,灵敏度高于经典方法。著名的原子钟就是一个例子,若你使用纠缠原子作为测量的媒介,你仍然可以提高钟的精度。量子通信,使用不可侵犯的密钥在两个合作伙伴之间共享量子位。在这条应用链中,有很多物理问题。这些物理问题在中国,尤其在潘建伟教授的实验室中被深入研究,所以关于这个我不想再多说了。第三种可能性是进行量子模拟,你可以制备呈规则阵列的几百到几千个人造原子并采样来模拟凝聚态系统,并以这种方式探索发现新的量子相的可能性。最后一个最雄心勃勃的目标是利用量子比特的叠加和纠缠来解决经典计算机无法解决的问题,这就是关于量子计算机的著名梦想。在这个领域还要做很多研究才能纠正所有的退相干现象。

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我想说的是,这说明了不切实际的研究和实用创新之间的双向联系。我们从对自然的观察、理论模型的建立开始,这些模型预测了新的效应。例如,激光、激光辐射这些新的效应引出了新的技术。再比如,所有由激光发展起来的技术。这些新技术实现了更精确的观测,这又证实了相关理论。这就是基础科学的良性循环。现在很多时候,基础科学和应用科学之间有一种紧张的竞争关系。当你申请资金时,你经常被要求解释建造和发明新设备有什么用。这个问题其实早就被提出了。

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最后,我想引用两位名人的话来总结。亚伯拉罕·弗莱克斯纳研究的是基础科学,他是20世纪30年代普林斯顿高等研究院的创始人和院长。我想提到的另一个人是卡西米尔,他是量子革命的参与者之一。但在那之后,他成为了一个应用物理实验室的主任。他们都坚持认为基础发现是所有发明的核心,发明创造的到来又是远晚于基础发现。我就引用卡西米尔的话,他说,“我听说,学术研究在创新中的作用很小,这是最明目张胆的无稽之谈。能偶然听说这个真是我的运气。我认为,20世纪的创新几乎没有一个不归功于基本科学思想的例子。”我也希望我在这次演讲中给你们举了很多这样的例子。

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这就是讲座的结尾了。我就在这里为这本书做一下广告(上图)。这是一本刚刚从法语翻译过来的书。这个中文版有一个序言,作者是我在巴黎的研究小组的学生成员,吴海腾。我希望在这本书中,你能了解到我在这一小时内试图告诉你的故事的更多细节。我希望你会喜欢读这本书,感谢您的关注。

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Serge Haroche,2012年诺贝尔奖获得者,出生于1944年,1967年毕业于巴黎高等师范学院,1971年获得巴黎第六大学博士学位,曾任耶鲁大学教授、巴黎第六大学教授、法兰西工学院教授,2009年获得法国国家科学研究中心金质奖章,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·瓦恩兰共同荣获诺贝尔物理学奖。阿罗什的研究聚焦于量子光学和量子信息科学,他的实验对 80 年代兴起的腔量子电动力学(Cavity QED) 有着重要贡献。