法蘭西公學(xué)院的物理學(xué)教授阿羅什,現(xiàn)年68歲的他出生在摩洛哥的一個猶太家庭。大衛(wèi)·維因蘭德與阿羅什同歲出生于美國密爾沃基,任職于美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校和美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所。這兩個生活在世界兩端的老人,在2012年10月9日,都因一通來自斯德哥爾摩的電話而欣喜若狂。也是因為這通電話,這兩位分享2012年諾貝爾物獎的物理學(xué)家?guī)Ыo未來世界的奇跡才展示在世人眼前。 瑞典斯德哥爾摩時間10月9日11時45分是原定2012年諾貝爾物理學(xué)獎揭曉的時刻,然而世界各地的網(wǎng)友興致勃勃地登錄諾貝爾獎官方網(wǎng)站試圖在第一時間知曉結(jié)果時,卻發(fā)現(xiàn)介紹物理學(xué)獎的頭條文章無法打開。事后有人分析,網(wǎng)站的故障可能是因為流量過大,這也反映了人們對今年物理學(xué)獎的關(guān)注。在獎項揭曉之前,呼聲最高的是由于疑似希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)而受到全世界關(guān)注的英國物理學(xué)家彼得·希格斯——盡管這一重大發(fā)現(xiàn)公布時,諾貝爾物理學(xué)獎的提名早已截止,但許多人還是期待他能“破格”在今年榮獲這一獎項。 阿羅什 阿羅什(右)在實驗室 維因蘭德 維因蘭德 此時的法國巴黎也正值中午時分,法國物理學(xué)家賽日爾·阿羅什(Serge Haroche)正和妻子走在返回家中的路上。突然,手機聲鈴響起,他拿出手機,看到屏幕上的顯示的來電號碼以“+46”開頭,頓時感到又驚又喜——他知道這是一個來自瑞典的電話,他也知道當(dāng)天是諾貝爾物理學(xué)獎揭曉的日子。 “這令我難以置信!”他在接受諾貝爾獎官網(wǎng)的記者采訪時表示:“我的第一反應(yīng)是震驚,當(dāng)然也感到很高興。隨后我(在電話中)知道了(獲獎)這件事,并沉浸其中,而緊接著是來自世界各地的電話……” 法蘭西公學(xué)院的教授阿羅什是今年的物理學(xué)獎獲得者之一。現(xiàn)年68歲的他出生在摩洛哥的一個猶太家庭,父親是一名律師;母親出生在俄國,當(dāng)時是一名教師;他的祖父母曾擔(dān)任法國文化協(xié)會的負(fù)責(zé)人。1956年,摩洛哥獨立,阿羅什一家從摩洛哥搬到法國,更好的教育環(huán)境激發(fā)了他對科學(xué)的熱情。在讀高中時,他對于數(shù)學(xué)興趣濃厚,尤其對大自然服從數(shù)學(xué)法則感到十分驚訝。1963年,他進(jìn)入法國最著名的大學(xué)之一——巴黎高等師范學(xué)校學(xué)習(xí),最讓他興奮的事情便是能立即進(jìn)入實驗室工作。阿羅什從1967年起在巴黎高等師范學(xué)校和巴黎第六大學(xué)開始攻讀物理學(xué)博士學(xué)位,他所在的卡斯特勒布魯塞爾實驗室是世界上量子物理學(xué)研究的中心之一,當(dāng)時實驗室中的研究人員就包括為實驗室命名的法國量子光學(xué)學(xué)派奠基人吉恩·布魯塞爾和1966年諾貝爾獎物理學(xué)獲得者阿爾弗雷德·卡斯特勒,他的博士論文導(dǎo)師則是1997年諾貝爾獎獲得者克洛德·科昂-唐努德日。他于1971年獲得了博士學(xué)位,在進(jìn)入法國國家科學(xué)研究中心從事了幾年研究工作后,他回到了巴黎第六大學(xué)并成為物理學(xué)教授。為他獲得諾貝爾獎奠定基礎(chǔ)的研究工作便開始于那個時期。 從“薛定諤的貓”到量子計算機 原子等微觀粒子不遵從經(jīng)典物理學(xué)定律的特性長期困擾著許多物理學(xué)家。人們發(fā)現(xiàn)對于一個量子系統(tǒng)的觀測無法得到準(zhǔn)確的結(jié)果,只能給出粒子處于某一狀態(tài)的概率,這引發(fā)了物理學(xué)界的分歧。上世界20年代,以玻爾、海森堡為首的哥本哈根學(xué)派認(rèn)為這種不確定性是量子世界的特性,他們對于量子力學(xué)的物理解釋也得到了大多數(shù)物理學(xué)家的認(rèn)同。 然而愛因斯坦不同意這種觀點,他認(rèn)為不確定性源于人們對它的認(rèn)識不夠完備,并用“上帝不會擲骰子”來表達(dá)他的立場。同樣不認(rèn)同哥本哈根學(xué)派觀點的還有物理學(xué)家薛定諤,他于1935年提出了經(jīng)典的理想實驗“薛定諤的貓”——他假設(shè)將一只貓放在一個不透明的盒子中,盒內(nèi)有一個裝有毒氣的容器,還有一個有50%可能衰變的放射性原子核;一旦原子核發(fā)生衰變,它會釋放出一個粒子,觸發(fā)容器開關(guān),容器釋放出的毒氣會將貓殺死。根據(jù)量子力學(xué)的解釋,在人們打開盒子觀察前,原子核處于已衰變和未衰變的疊加態(tài),因而貓將處于“既死又活”的疊加態(tài),而這顯然不符合人們的常識。 量子力學(xué)長期存在爭議的一個重要原因就是難以觀測——在過去,一旦將粒子和它們所在的微觀環(huán)境分離,它們便會失去神秘的量子特性,而這恰恰是物理學(xué)家們真正感興趣的。阿羅什的工作便是解決這一問題:“很長時間以來人們的實驗都是基于大量原子的集合,而此時它們的量子特性可以說是被隱藏了,這是由于統(tǒng)計學(xué)上的效果。而當(dāng)你研究單個粒子,就像我們所做的,你就能通過戲劇性的方式揭示量子效果,并了解這些量子過程。” 他將一些光子捕捉在一個兩側(cè)置有高反光鏡的“陷阱”中,讓它們在兩個鏡子間跳動,光子在這個裝置中能保持長達(dá)十分之一秒而不衰減,這給了阿羅什足夠的時間來觀察它們的量子特性。他將一個極為活躍的“里德博原子”送入“陷阱”中,它在捕獲光子后能將它們的量子信息呈現(xiàn)出來,就如同X光描繪出人體的內(nèi)部構(gòu)造一樣。 他的這一構(gòu)想提出于上世紀(jì)八十年代,然而當(dāng)時的設(shè)備條件無法達(dá)到這一實驗的要求。他所在的卡斯特勒布魯塞爾實驗室花了很長時間來打造并改進(jìn)能夠捕捉光子的設(shè)備,他也先后到斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)、耶魯大學(xué)等美國頂尖名校訪問學(xué)習(xí)。 隨著實驗條件的不斷改進(jìn),阿羅什的團隊得以觀測處于量子疊加狀態(tài)下的光子——此時光子會在同一時刻向兩個相反的方向運動,他們基于薛定諤的假設(shè)將這個狀態(tài)稱為“貓態(tài)”。他通過偵測原子記錄下光子呈現(xiàn)貓態(tài)的時間,并研究出了讓這一時間延長的技術(shù)。 成功操控貓態(tài)粒子意味著量子計算機將成為可能。與普通的計算機不同,量子計算機最小的單位為“量子位”——如同薛定諤的貓呈現(xiàn)“既死又活”的疊加態(tài)一樣,一個量子位能同時呈現(xiàn)0和1的疊加態(tài),這將極大地提升計算機的運算能力,密碼破譯等復(fù)雜運算的工作效率將實現(xiàn)飛躍。 不過,在談到自己的成果的應(yīng)用前景時,阿羅什卻表現(xiàn)得相當(dāng)謹(jǐn)慎:“我希望能有一些應(yīng)用,但我不知道會是什么。” 超準(zhǔn)量子鐘將帶來更準(zhǔn)確的導(dǎo)航系統(tǒng) 與阿羅什分享今年諾貝爾物理學(xué)獎以及約120萬美元獎金的是任職于美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校和美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所的物理學(xué)家大衛(wèi)·維因蘭德(David Wineland)。由于物理學(xué)獎結(jié)果揭曉時正值美國美國深夜,當(dāng)電話從斯德哥爾摩打到家中時,維因蘭德的妻子接到了電話,隨后將他叫醒。 “這是一個很大的驚喜,我想我一時半會睡不著了,哈哈,”維因蘭德在獲獎后對諾貝爾獎官網(wǎng)的記者開起了玩笑。 和阿羅什同歲的維因蘭德出生于美國密爾沃基。1965年,他從加州大學(xué)伯克利分校畢業(yè)后進(jìn)入哈佛大學(xué)攻讀博士學(xué)位,師從1989年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者之一諾曼·拉姆齊,并于1970年憑借題為《原子氘激微波》的論文獲得博士學(xué)位。隨后,他又加入了另一位日后的諾貝爾獎獲得者——漢斯·德莫爾特的團隊,在華盛頓大學(xué)進(jìn)行博士后研究。 讓維因蘭德榮獲諾貝爾獎的成果同樣是成功操控單個量子系統(tǒng),不過他所采用的方法與阿羅什卻恰好相反,或者說是對稱 ——他捕捉和觀測的是離子(帶電的原子),借助的則是激光。談到這一巧合,與維因蘭德相互認(rèn)識超過二十年的阿羅什表示,盡管分別在大西洋兩岸從事研究,兩人所在的團隊卻有許多相似的地方,甚至在有些年份兩人還“背靠背”發(fā)表論文。 為觀測粒子的量子特性,維因蘭德同樣設(shè)置了“陷阱”,并將一些鈹離子捕捉到陷阱中,而他觀測離子的方法是使用激光對它們進(jìn)行冷卻,使它們不再頻繁運動、易于觀測。在這樣的條件下,他得以捕捉到離子由疊加態(tài)塌縮成為本征態(tài)的時刻,即量子力學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)的邊界。這種特殊的激光的使用也使得控制離子的運動狀態(tài)變得不再困難。 維因蘭德的成果對于量子計算機同樣貢獻(xiàn)巨大,并且從1995年起,維因蘭德的團隊開始用離子作為量子位進(jìn)行運算,目前它們設(shè)計的量子處理器已經(jīng)能進(jìn)行一些基本的運算,但他認(rèn)為量子計算機距離真正成熟還有很長的路要走。“我不會推薦任何人去買量子計算機公司的股票,”在獲獎后召開的新聞發(fā)布會上,維因蘭德表示:“不過我對這項技術(shù)將隨著時間推移不斷進(jìn)步表示樂觀,量子計算機的確會帶來獨特的計算能力。也許在下一個十年,我們將能夠跨越這個門檻,(用量子計算機去)解決經(jīng)典計算機難以應(yīng)付的問題。” 相比還有些遙不可及的量子計算機,量子鐘的應(yīng)用已經(jīng)因為維因蘭德的工作取得了巨大的突破,它不僅能使鐘表的準(zhǔn)確性得到很大的提高,還有助于大幅提升GPS導(dǎo)航的準(zhǔn)確性。由于同一種原子會以固定的頻率釋放電磁波,而且這一頻率極為穩(wěn)定,科學(xué)家們便利用這一特性來制作超精準(zhǔn)的原子鐘。當(dāng)前使用較為普遍的銫原子鐘能將誤差控制在百萬年至千萬年不超過1秒的水平。不過在維因蘭德看來,由于銫原子釋放的微波的震動頻率不如可見光,原子鐘的準(zhǔn)確程度仍有很大的提升空間——事實上,制作更精準(zhǔn)的鐘和更準(zhǔn)確的導(dǎo)航設(shè)備是維因蘭德從事讓他獲獎的研究的重要動機。維因蘭德稱,他的團隊基于鋁離子和銫離子設(shè)計的量子鐘是世界上最精準(zhǔn)的時鐘,自宇宙大爆炸以來137億年的時間內(nèi)誤差不超過5秒。 已同步至 update的微博 |
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