光學(xué)的新世紀(jì)

張彥剛

2005年諾貝爾物理學(xué)獎得主來自光學(xué)研究領(lǐng)域的兩位美國科學(xué)家和一位德國科學(xué)家，它們分別是：來自美國哈佛大學(xué)的羅伊·格勞伯、科羅拉多大學(xué)的約翰·霍爾，以及德國慕尼黑大學(xué)的特奧多爾·亨施。

格勞伯在回答記者問及他準(zhǔn)備如何花費諾貝爾獎所附有的獎金時說：“還沒有人向我提到過會有現(xiàn)金?！被魻栒f，他將用所得的諾貝爾獎金設(shè)立一份獎學(xué)金。資助就讀科學(xué)和技術(shù)課程的學(xué)生。格勞伯獲得一半諾貝爾物理學(xué)獎獎金約130萬美元，其他兩位科學(xué)家分享另一半的獎金。他們?nèi)嗽谇嗌倌陼r代就表現(xiàn)出了對物理學(xué)的濃厚興趣和非凡天賦。都是當(dāng)年物理學(xué)領(lǐng)域的青年才俊。其中，格勞伯24歲時便獲得哈佛大學(xué)的博士學(xué)位，霍爾27歲時獲得卡內(nèi)基理工學(xué)院的博士學(xué)位，而亨施則在28歲時獲得海德堡大學(xué)的博士學(xué)位。

1963年，格勞伯在《物理評論通訊》期刊上發(fā)表研究論文，創(chuàng)造性地提出了“相干性量子理論”，此后，他又在《物理評論》等雜志上發(fā)表了幾篇相關(guān)論文。這些論文奠定了量子光學(xué)學(xué)科的理論基礎(chǔ)，也為格勞伯贏得了“量子光學(xué)之父”的美譽20多年后，霍爾和亨施利用激光的特性，推動了精確測量技術(shù)向前發(fā)展。1984年，他們的論文發(fā)表在《光學(xué)通訊》雜志上。之后，他們又改進了光梳技術(shù)。

20世紀(jì)激光器的出現(xiàn)使人們產(chǎn)生了這樣的疑問：激光和普通光有什么不同?格勞伯提出的“光學(xué)相干的量子理論”使我們認(rèn)識了燭光與激光間的本質(zhì)區(qū)別。燭光是由多頻率和多相位(高中物理將學(xué)到)的光組合而成，是多種光子的集體行為而不是一種光子能量的傳播，光量子被掩蓋無法產(chǎn)生干涉。而激光幾乎是由一種光子產(chǎn)生的光，光量子之間可以進行極強的相互干涉，是相干性極強的光。格勞伯的理論成果可以作為激光技術(shù)的理論指導(dǎo)，而霍爾和亨施正是在格勞伯的基礎(chǔ)上，繼續(xù)深入進行了激光的相關(guān)研究。

不同顏色的光是以頻率來描述的，比如太陽是由七種顏色的光組成的，太陽光的色譜和頻譜是對應(yīng)著的，要進行精確的測量首先要有精確的參照物。在激光中如何尋找顏色極為純凈的參照光是測量技術(shù)中首先要解決的20世紀(jì)70年代末，亨施首次提出了用頻率超級穩(wěn)定的激光作為尺子測量光頻率的光梳(所謂的“光梳”擁有一系列頻率均勻分布的頻譜，這些頻譜仿佛一把梳子上的齒或一把尺子上的刻度?！肮馐帷笨梢杂脕頊y定未知頻譜的具體頻率)技術(shù)，并發(fā)表了研究論文。

后來，霍爾和亨施進行合作，通過運用激光技術(shù)將原子冷卻后使之速度降低，這樣原子躍遷的頻率就會降低，這時測量的頻率就十分穩(wěn)定。從而解決了精密光譜學(xué)和光梳技術(shù)的關(guān)鍵問題，獲得了頻率超級穩(wěn)定的參照光。人們據(jù)此可以制造極其鋒利的激光儀，發(fā)展了精密的光梳技術(shù)。利用此技術(shù)，科學(xué)家可以精確測量原子和分子釋放或吸收的光的頻率，從而鑒別其組成成分，就好像經(jīng)過了一個極為細(xì)密的梳子，梳子一過，極為細(xì)密的毛發(fā)都呈現(xiàn)出來。光梳技術(shù)也可幫助科學(xué)家們制造更為精確的時鐘，可將時間的測量精度提高到小數(shù)點后15位，即千萬年只差1s。比目前廣泛運用的時間測量技術(shù)銫原子鐘精確上千倍。利用它還可以改進現(xiàn)有的全球定位系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)最為微小的差別，實現(xiàn)精確定位等等。

麥克斯韋的電磁理論，愛因斯坦的光子理論和這三位科學(xué)家的理論是現(xiàn)代的光纖通信、無線通信技術(shù)的基礎(chǔ)。格勞伯、霍爾和亨施三人的研究將為人類在地球乃至更遙遠的地方的交流聯(lián)系提供更多的可能，例如可以讓攜帶無線電、手機數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率更加精確等等。

三人用一生來澆灌事業(yè)之花，他們始終堅持投身于基礎(chǔ)物理學(xué)研究，在物理光學(xué)領(lǐng)域取得的基礎(chǔ)研究突破，不僅為他們贏取了諾貝爾物理學(xué)獎，更為很多高新技術(shù)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。今天，為人類帶來巨大恩惠的全球定位技術(shù)、精確時鐘系統(tǒng)等都蘊含著他們的努力。

責(zé)任編輯蔡華杰