從仰望蒼穹到微觀量子諾獎(jiǎng)大師的追“光”之旅

陳冰

近日，塞爾日·阿羅什現(xiàn)身第四期“浦江科學(xué)大師講壇”，以“光的科學(xué)： 從伽利略到量子物理”為題，向聽(tīng)眾講述了幾百年的漫長(zhǎng)歲月里，人們研究光、認(rèn)識(shí)光、用光探索世界的動(dòng)人故事。攝影/成釗

對(duì)原始人來(lái)說(shuō)，光意味著白晝、意味著方向，對(duì)現(xiàn)代人來(lái)說(shuō)，光是每天工作生活必不可少的元素?？梢哉f(shuō)，光伴隨了人類進(jìn)化和文明發(fā)展的每個(gè)階段。作為物理學(xué)中古老的學(xué)科，光學(xué)又是當(dāng)前科學(xué)研究中最活躍的學(xué)科之一，推動(dòng)著人類對(duì)自然的認(rèn)知不斷深化和人類社會(huì)的進(jìn)步。

對(duì)于法蘭西公學(xué)院名譽(yù)教授、2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）而言，光有著極為豐富的內(nèi)涵。從立志成為天文學(xué)家，到傾盡一生探索光的科學(xué)，終將“薛定諤的貓”思想實(shí)驗(yàn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。2012年，因?yàn)檠芯磕軌蛄慷群筒倏貍€(gè)體量子系統(tǒng)的突破性實(shí)驗(yàn)方法，阿羅什與美國(guó)物理學(xué)家戴維·瓦恩蘭（David Wineland）共同榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

近日，塞爾日·阿羅什現(xiàn)身第四期“浦江科學(xué)大師講壇”，以“光的科學(xué)： 從伽利略到量子物理”為題，向聽(tīng)眾講述了幾百年的漫長(zhǎng)歲月里，人們研究光、認(rèn)識(shí)光、用光探索世界的動(dòng)人故事。作為一位對(duì)于光充滿著熱情的研究者，有關(guān)光的科學(xué)故事激發(fā)了他對(duì)世界的好奇，作為操控個(gè)體量子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，激光是他職業(yè)生涯的最好幫手。

演講結(jié)束后，《新民周刊》記者又與阿羅什聊了聊物理學(xué)家眼中的光，他們看待光，會(huì)不會(huì)與普通人有所不同呢？

“我從年輕的時(shí)候，就為光的科學(xué)所折服和著迷?！倍て鹦⌒∩倌晷闹袩o(wú)限好奇的第一束光，來(lái)自于那個(gè)將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)星空的伽利略。

光有沒(méi)有速度呢？這個(gè)問(wèn)題現(xiàn)在看來(lái)毋庸置疑，但在伽利略的時(shí)代，卻是未知之?dāng)?shù)。人們普遍認(rèn)為光是無(wú)限快的。伽利略抱著對(duì)這個(gè)問(wèn)題的好奇，進(jìn)行過(guò)一些嘗試，雖然嘗試以失敗告終，但是開(kāi)啟了測(cè)量光速的大幕。同時(shí)，他對(duì)木星衛(wèi)星的觀測(cè)，也為后來(lái)測(cè)量光速的科學(xué)家提供了一臺(tái)“天然的時(shí)鐘”。伽利略首次提出“光速可以被測(cè)量”，從而邁出人類探索光速的第一步。70年后，奧勒·羅默通過(guò)“木衛(wèi)一蝕”現(xiàn)象的觀測(cè)，首次證實(shí)了光速是有限的。

阿羅什說(shuō)，在職業(yè)生涯中，對(duì)其影響最大的科學(xué)家是伽利略和愛(ài)因斯坦。攝影/張懷藝

光是有速度的，那么，光到底是粒子還是波？

這個(gè)爭(zhēng)論不休、曠日持久的問(wèn)題，從17世紀(jì)開(kāi)始，貫穿兩個(gè)世紀(jì)，幾乎與所有我們現(xiàn)在耳熟能詳?shù)奈锢韺W(xué)大師有所關(guān)聯(lián)。在這個(gè)不斷驗(yàn)證、不斷反駁的過(guò)程中，人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)逐漸清晰，光的百變面貌在惠更斯、牛頓、托馬斯·楊、菲涅爾、麥克斯韋、赫茲、愛(ài)因斯坦等科學(xué)家共同的探索和爭(zhēng)論中漸漸明朗，人們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)也隨之從牛頓時(shí)代進(jìn)入量子時(shí)代。

17世紀(jì)，以牛頓為代表的粒子說(shuō)和以惠更斯為代表的波動(dòng)說(shuō)兩派僵持不下；19世紀(jì)初，托馬斯·楊用雙縫實(shí)驗(yàn)證明衍生光波遵守疊加原理，證實(shí)了光的波動(dòng)性質(zhì)。直到19世紀(jì)中葉，麥克斯韋提出光的電磁波理論，并且通過(guò)海因里希·赫茲的實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證，由此統(tǒng)一了電、磁和光學(xué)。電磁波理論對(duì)光的本質(zhì)作出了新的闡釋：光和磁由同一物質(zhì)觸發(fā)，光是一種根據(jù)電磁定律在場(chǎng)中傳播的電磁擾動(dòng)。

20世紀(jì)初，開(kāi)爾文男爵的“兩片烏云”理論顯現(xiàn)，人類進(jìn)入相對(duì)論和量子時(shí)代。普朗克的黑體輻射定律使人類更加深入地理解電磁輻射的本質(zhì)，愛(ài)因斯坦光量子說(shuō)則幫助奠定了量子力學(xué)的基礎(chǔ)。量子力學(xué)和相對(duì)論的誕生及其對(duì)光的研究所帶來(lái)的巨大革新——在其后眾多科學(xué)家的合力下，量子物理的“潘多拉魔盒”被人們打開(kāi)。光的波粒二象性成為量子理論的基石，人們對(duì)光的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)達(dá)成基本共識(shí)。自此，量子理論席卷整個(gè)物理學(xué)界，人類踏入了認(rèn)識(shí)光、探索光的更高階段。

阿羅什指出，科學(xué)基礎(chǔ)研究的巨大突破離不開(kāi)對(duì)光的探索，科學(xué)殿堂上最偉大的科學(xué)成就都與光相關(guān)。光的研究從最早的望遠(yuǎn)鏡、棱鏡到后來(lái)的各種波段的光源得以發(fā)明和使用、直至激光的誕生和發(fā)展，這些儀器的發(fā)明讓我們可以實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的觀測(cè)，不僅讓我們得以更好地了解光的不同方面，也推動(dòng)了物理學(xué)其它方面的研究，“這是一段漫長(zhǎng)而迷人的歷史”。

“從伽利略到量子物理，這是一條引人入勝的科學(xué)道路?！卑⒘_什說(shuō)，“關(guān)于外部世界我們所了解的大部分知識(shí)，其實(shí)都來(lái)自于光。光的粒子性和波動(dòng)性雖然在量子理論里彌合，但是，電子、原子和光子一樣，展現(xiàn)出的糾纏和疊加等特性，更加令人迷惑。相比經(jīng)典物理，量子的世界顯得更加微妙?！?/p>

回顧科學(xué)史可見(jiàn)，所有研究者都是站在巨人的肩膀上，不斷修正甚至推翻原有理論，才得以實(shí)現(xiàn)人類認(rèn)知邊界的不斷突破，因此，“科學(xué)研究中沒(méi)有永恒的真理，只有人類對(duì)世界不斷修正的結(jié)論與逐漸深入的認(rèn)識(shí)”。

如果說(shuō)早期量子理論大都受益于對(duì)光的研究，那么到上世紀(jì)，量子理論則開(kāi)始反哺光學(xué)，推動(dòng)一系列突破性技術(shù)的發(fā)明和革新。

20世紀(jì)初，人們所作的一些如今看來(lái)天真又幼稚的“空想”，如今有許多已成為現(xiàn)實(shí)。從最早的晶體管，到后來(lái)的激光，都已經(jīng)得到了廣泛而實(shí)際的應(yīng)用?，F(xiàn)代生活中人們習(xí)以為常的電子計(jì)算機(jī)、核磁共振掃描儀、GPS里用到的原子鐘等等，無(wú)一不以量子理論為基礎(chǔ)。

而這在1900年量子論誕生的時(shí)候，完全無(wú)法預(yù)料。

所有這些發(fā)明當(dāng)中，尤以激光最為特別。激光的本質(zhì)是物質(zhì)的聚變和蒸發(fā)、原子的冷卻和捕獲。激光技術(shù)的發(fā)展，使得光與介質(zhì)相互作用的研究進(jìn)入了一個(gè)全新階段，光的“捕獲”“存儲(chǔ)”“囚禁”由不可能變?yōu)榭赡?。“如果從地球向月球發(fā)射一束激光，再?gòu)脑虑蚍瓷浠貋?lái)，光的相位不會(huì)發(fā)生變化。”阿羅什舉例闡釋激光的超穩(wěn)定性。

激光以其單色性、準(zhǔn)直性、高功率、穩(wěn)定性等獨(dú)一無(wú)二的特性，廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)和生物學(xué)的基礎(chǔ)研究，以及計(jì)量、醫(yī)學(xué)、通信等領(lǐng)域，成為很多領(lǐng)域科學(xué)家探索世界的工具。

如今，第二次量子革命已經(jīng)拉開(kāi)序幕，相較于第一次量子革命“只問(wèn)量子理論能讓我們做什么”，人類現(xiàn)在更多要探究“為什么”，并充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，利用疊加和糾纏等量子特性，在量子計(jì)量、量子通信、量子模擬、量子計(jì)算等領(lǐng)域大展身手。

作為20世紀(jì)中期一項(xiàng)劃時(shí)代的成就，1960年激光的發(fā)明和在這以后激光技術(shù)的發(fā)展，讓科學(xué)家可以通過(guò)改變激光的頻率，控制激光束的延續(xù)時(shí)間并使激光束聚焦到一個(gè)原子大小的范圍。從這以后，實(shí)驗(yàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)方法有了極大的發(fā)展，利用激光可以使原子或離子冷卻到接近絕對(duì)零度，就是使它們的運(yùn)動(dòng)速度減到非常小，直至幾乎停止。

著名的玻色愛(ài)因斯坦凝聚，就是借助激光，才得以在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生。借助激光，科學(xué)家讓時(shí)間的度量越來(lái)越精確，讓引力波的探測(cè)成為現(xiàn)實(shí)，還可以囚禁原子，探索量子計(jì)算的無(wú)限可能。例如，429太赫茲的可視量子鐘，可以測(cè)量由于高度差異1mm而導(dǎo)致的速率變化，比GPS時(shí)間還要精確10萬(wàn)倍；再比如，激光干涉引力波天文臺(tái)可以探測(cè)到13億光年外兩個(gè)黑洞的合并產(chǎn)生的引力波?！边@是一個(gè)杰作，它可以探測(cè)到直徑小于十億分之一原子直徑的鏡子（相距4公里）的相對(duì)位移?！卑⒘_什評(píng)價(jià)道。

作為單量子系統(tǒng)操縱和腔量子電動(dòng)力學(xué)方面的行家，阿羅什對(duì)激光和光子始終保有特殊的感情。利用激光束和超導(dǎo)材料鈮，阿羅什對(duì)一個(gè)微波光子的囚禁時(shí)間達(dá)到1/10秒，利用一系列里德伯原子作為探測(cè)器，穿過(guò)腔體、和腔場(chǎng)進(jìn)行耦合，阿羅什實(shí)現(xiàn)了非破壞性測(cè)量單個(gè)光子，即帶走被捕獲光子的信息，但是又不吸收光子。在和光的合作中，阿羅什做到了半個(gè)多世紀(jì)前薛定諤認(rèn)為不可能實(shí)現(xiàn)的事情——在實(shí)驗(yàn)室中造出“薛定諤的貓”。

“基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)之間是共生的?！彼偨Y(jié)道，伽利略望遠(yuǎn)鏡和惠更斯擺鐘的發(fā)明使得空間和時(shí)間的精確測(cè)量成為可能，在此基礎(chǔ)上，光的特性被發(fā)現(xiàn)。人們對(duì)光的新認(rèn)識(shí)，又不斷促成更精確設(shè)備的發(fā)明，基礎(chǔ)研究與技術(shù)革新之間形成的良性循環(huán)，幫助物理學(xué)家更高效、更精確地觀察、證實(shí)或證偽。

如今，第二次量子革命已經(jīng)拉開(kāi)序幕，相較于第一次量子革命“只問(wèn)量子理論能讓我們做什么”，人類現(xiàn)在更多要探究“為什么”，并充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，利用疊加和糾纏等量子特性，在量子計(jì)量、量子通信、量子模擬、量子計(jì)算等領(lǐng)域大展身手。

未來(lái)，隨著測(cè)量的手段不斷進(jìn)步，基礎(chǔ)研究可以被推進(jìn)到分子級(jí)、原子級(jí)，甚至更細(xì)。阿羅什期待道：“我們也可以使用這樣的研究能力，去探索一些電磁科學(xué)和生物科學(xué)領(lǐng)域最前沿的技術(shù)?！敝劣诹孔佑?jì)算機(jī)到底何時(shí)能夠出現(xiàn)，阿羅什坦言“真的不知道”，但與“不確定性”共舞，是科學(xué)研究的特點(diǎn)，也是其最美妙之處。

1966年，20歲的他進(jìn)入巴黎高等師范學(xué)院的卡斯特勒-布羅塞爾實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)啟自己的研究生涯。這間實(shí)驗(yàn)室可謂大師云集——在阿羅什之前，他的導(dǎo)師卡斯特勒在1966年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，實(shí)驗(yàn)室的另一位科學(xué)家布羅塞爾則是法國(guó)量子光學(xué)學(xué)派奠基人。

這些學(xué)界領(lǐng)軍人物，給予了年輕人充足的自由和激勵(lì)，這讓阿羅什感懷至今，“我非常高興，也非常幸運(yùn)能夠在這樣的環(huán)境中受到熏陶”。

令他感到幸運(yùn)的另一件事，則是激光的發(fā)明。阿羅什正是從激光技術(shù)發(fā)明之后開(kāi)啟了物理學(xué)研究。作為操控個(gè)體量子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，“激光為基礎(chǔ)物理學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)的進(jìn)步開(kāi)辟了道路，而這在20世紀(jì)60年代是難以想象的”。他說(shuō)。

塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）

法國(guó)物理學(xué)家，1944年9月出生于摩洛哥。法蘭西公學(xué)院名譽(yù)教授、法國(guó)科學(xué)院院士、歐洲科學(xué)院院士、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院外籍院士、美國(guó)人文與科學(xué)院外籍院士、巴西科學(xué)院外籍院士。研究方向?yàn)榱孔庸鈱W(xué)和量子信息學(xué)，對(duì)量子光學(xué)中的量子電動(dòng)力學(xué)研究做出過(guò)重要貢獻(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)量子力學(xué)領(lǐng)域享有盛名，被業(yè)內(nèi)譽(yù)為腔量子電動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)奠基人。

2012年，阿羅什和美國(guó)物理學(xué)家大衛(wèi)·維因蘭德因“突破性的試驗(yàn)方法使得測(cè)量和操縱單個(gè)量子系統(tǒng)成為可能 ”獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。作為腔量子電動(dòng)力學(xué)的行家，阿羅什通過(guò)量子技術(shù)，運(yùn)用原子和光設(shè)計(jì)了一個(gè)現(xiàn)實(shí)中可行的實(shí)驗(yàn)，成功馴服原子和光子并觀察到量子疊加。

他所發(fā)明的檢測(cè)方法在觀察的同時(shí)不介入，這讓量子物理學(xué)創(chuàng)始人所設(shè)想的思想實(shí)驗(yàn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。那只曾經(jīng)困擾物理學(xué)界多年的“薛定諤的貓”似乎終于可以在現(xiàn)實(shí)中被“捉”住了。

創(chuàng)舉背后的驅(qū)動(dòng)力到底為何？阿羅什在現(xiàn)場(chǎng)分享了做科研的秘訣。

“如果你要成為一名科學(xué)家，首先必須要有激情和熱情，要對(duì)外部世界有探索的好奇心，必須能夠在某些領(lǐng)域做非常深入的研究，對(duì)知識(shí)的探索與渴求有非常強(qiáng)烈的追求?！卑⒘_什相信，個(gè)人的傾情投入在科學(xué)的創(chuàng)新探索中不可或缺。

此外，要真正為現(xiàn)有科學(xué)帶來(lái)革新，不僅要和同時(shí)代研究者們交流合作，也要向歷史上偉大的科學(xué)先驅(qū)們追問(wèn)學(xué)習(xí)，“如果你要做科學(xué)，必須要和一群才華橫溢的科學(xué)家團(tuán)體為伍，歷史上那些星光熠熠的科學(xué)家，都會(huì)成為你不斷激發(fā)熱情、探索全新科學(xué)前沿的動(dòng)力”。

“熱情、求知、直覺(jué)、機(jī)遇。”阿羅什總結(jié)出自己做科研的四個(gè)關(guān)鍵詞。放在歷史的長(zhǎng)河里來(lái)看，對(duì)于目光如炬的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，也不可能永遠(yuǎn)做出準(zhǔn)確的判斷?？茖W(xué)會(huì)出乎所有人的意料，上世紀(jì)60年代，阿羅什就認(rèn)為激光一定會(huì)成為一種新的工具。但是今天，激光能做的事，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了他當(dāng)時(shí)的想象。

“這就是科學(xué)的魅力——我所從事的科學(xué)研究一方面來(lái)自于過(guò)去，另一方面，它也能夠延伸到未來(lái)，歷史給予我們很多機(jī)會(huì)，和很多的偉大科學(xué)家進(jìn)行思維的碰撞，我們都因?yàn)楣舛?，科學(xué)事業(yè)是跨時(shí)間的。同時(shí)，我們對(duì)于科學(xué)的興趣和努力，我們的好奇心、熱情、知識(shí)，我們對(duì)于真理的探索，都可以與世界各地的科學(xué)家來(lái)進(jìn)行分享。我深深感受到我們是整個(gè)社群的一部分，所以科學(xué)也是跨越空間的?！?/p>

阿羅什告訴記者，在職業(yè)生涯中，對(duì)其影響最大的科學(xué)家是伽利略和愛(ài)因斯坦。正如他在自己的新書(shū)《光的探索：從伽利略望遠(yuǎn)鏡到奇異量子世界》（中文版）中所表達(dá)的那樣，他們一個(gè)第一次用望遠(yuǎn)鏡仰觀蒼穹，另一個(gè)基于諸多有關(guān)光的研究發(fā)現(xiàn)了相對(duì)論，幫助人們重新認(rèn)識(shí)物質(zhì)和時(shí)空的關(guān)系。而二者之間的漫長(zhǎng)歷史，就是人們深刻認(rèn)識(shí)世界的迷人歷史。“這些科學(xué)家和同時(shí)期的藝術(shù)家們一樣，在歷史上扮演了非常重要的角色?？萍几锩c文藝革命相伴而生，共同進(jìn)步，人們才找到了一些新的方式來(lái)看待這個(gè)世界。”