走近諾貝爾獎(jiǎng)（十二） 設(shè)個(gè)陷阱捉粒子

楊先碧

對(duì)于單個(gè)粒子來(lái)說(shuō)，經(jīng)典物理學(xué)定律已不再適用，量子物理學(xué)開(kāi)始“接手”。但從環(huán)境中分離出單個(gè)粒子并非易事，而且一旦粒子融入外在世界，其神秘的量子性質(zhì)便會(huì)消失。兩名“粒子獵人”一起獲得了2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他們分別是法國(guó)物理學(xué)家賽日爾·阿羅什和美國(guó)物理學(xué)家戴維·瓦恩蘭。兩位科學(xué)家證明，他們能夠直接觀測(cè)單個(gè)的量子粒子而又不破壞它們，從而開(kāi)創(chuàng)了量子物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)全新紀(jì)元。

難以觀測(cè)的粒子

兩千多年前，古希臘哲學(xué)家德謨克利特就認(rèn)為，物質(zhì)是由原子組成的。“原子”一詞的英文就來(lái)自希臘文，含義為“不可分割的”。

但是，直到18世紀(jì)才開(kāi)始有現(xiàn)代意義上的原子理論，而原子的真正奧秘則直到20世紀(jì)才開(kāi)始被揭示。這究竟是為什么呢？因?yàn)樵訉?shí)在太小了，看不見(jiàn)、摸不著。如今我們知道，原子并非是“不可分割的”，它是由更小的粒子所組成的。

所謂粒子，是指構(gòu)成物質(zhì)的比原子核更簡(jiǎn)單的物質(zhì)，包括電子、質(zhì)子、中子、光子、介子和超子等?？茖W(xué)家最早發(fā)現(xiàn)的粒子是電子和質(zhì)子，1932年又發(fā)現(xiàn)了中子，確認(rèn)原子由電子、質(zhì)子和中子組成。以后發(fā)現(xiàn)的粒子越來(lái)越多，累計(jì)已超過(guò)幾百種，且還有不斷增多的趨勢(shì)。

后來(lái)，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)，微觀世界的粒子所遵循的物理規(guī)律和宏觀世界有所差異。宏觀世界的能量是連續(xù)的，而微觀世界的能量是按照最小的單元跳躍式增長(zhǎng)。這種能量的最小單元稱為量子。在此基礎(chǔ)上建立起來(lái)的物理學(xué)稱為量子物理學(xué)，原子、電子、光子等粒子的活動(dòng)則遵循量子物理學(xué)的相關(guān)定律。

有意思的是，量子物理學(xué)雖然表述的是微觀粒子的活動(dòng)規(guī)律，卻是在宏觀觀測(cè)的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的。也就是說(shuō)，物理學(xué)家觀測(cè)粒子的宏觀活動(dòng)，然后推測(cè)出這些粒子的微觀量子特征。

我們知道，在傳統(tǒng)物理學(xué)領(lǐng)域，我們要了解某個(gè)物體的特征，可以直接觀測(cè)單個(gè)的物體。比如，我們要總結(jié)滾動(dòng)摩擦的特性，可以用一輛帶輪子的小車來(lái)做實(shí)驗(yàn)。那么，為什么量子物理學(xué)家不直接觀測(cè)單個(gè)粒子呢？這是因?yàn)閱蝹€(gè)粒子實(shí)在太小，且太活潑了，要找到單個(gè)的粒子就已經(jīng)很不容易了，即使找到它們，它們也不會(huì)按照某種規(guī)律停留在某個(gè)地方或某個(gè)軌跡上。

捕捉光子的陷阱

由于粒子太小太活潑，于是科學(xué)家自然就想到設(shè)置個(gè)“陷阱”去困住這些粒子。這個(gè)思路聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，似乎常人都能想到。但是，設(shè)置這個(gè)陷阱卻是個(gè)高難度的事情，一度被科學(xué)界認(rèn)為是不可能的事情。法國(guó)物理學(xué)家賽日爾·阿羅什卻率先完成了這個(gè)似乎不可能的任務(wù)。

阿羅什（右）在進(jìn)行光子阱實(shí)驗(yàn)

從1990年開(kāi)始，阿羅什就在設(shè)法完成這個(gè)任務(wù)。最終，他在接近絕對(duì)零度（零下273攝氏度）的溫度條件下，用兩個(gè)高性能超導(dǎo)體充當(dāng)?shù)姆垂忡R組成了一個(gè)光學(xué)陷阱。這種陷阱的科學(xué)術(shù)語(yǔ)為“高反射光學(xué)微腔”，或“光子阱”。

接下來(lái)，阿羅什成功地把一些光子引入到光子阱中。這些光子被困在反光鏡陷阱中的時(shí)間僅僅為0.1秒。這個(gè)時(shí)間對(duì)我們普通人來(lái)說(shuō)實(shí)在太短了，也不過(guò)一眨眼的時(shí)間。但是，對(duì)于量子物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，這個(gè)時(shí)間已經(jīng)足夠長(zhǎng)了。

在這短短0.1秒的時(shí)間內(nèi)，光子不斷反彈的總移動(dòng)距離居然高達(dá)3萬(wàn)千米，足以做很多測(cè)量和操控動(dòng)作。阿羅什就是抓住了這個(gè)轉(zhuǎn)瞬即逝的機(jī)會(huì)，將一個(gè)極為活躍的“里德博原子”送入“陷阱”中作為探針。這個(gè)原子在捕獲光子后，將單個(gè)光子的量子信息呈現(xiàn)出來(lái)，就如同X光描繪出人體的內(nèi)部構(gòu)造一樣。

阿羅什早在20年前就設(shè)置出光子阱，而且他一直堅(jiān)持從事這個(gè)領(lǐng)域的研究，并不斷獲得新的突破。2011年，阿羅什在光子阱實(shí)驗(yàn)中引入反饋機(jī)制。當(dāng)發(fā)現(xiàn)光子阱中的光子數(shù)變少時(shí)，他就注入新光子，令光子阱中保持固定數(shù)目的光子。采用這樣的方法，就好像把一些光子永久地困在了光子阱中，這超越了愛(ài)因斯坦的希望——將光子困住幾秒。

阿羅什花了很大的力氣來(lái)建立光子阱，但是他曾經(jīng)也不太清楚他的研究成果究竟會(huì)有什么實(shí)際應(yīng)用。他說(shuō)：“如果你像我們一樣研究單個(gè)的粒子，那么你將可以以一種奇妙的方式來(lái)揭示量子力學(xué)，并且你也可以研究所有的量子過(guò)程?！币苍S，好奇心才是驅(qū)動(dòng)他一生進(jìn)行這項(xiàng)研究的動(dòng)力，而研究工作本身就是對(duì)他最好的報(bào)答。

阿羅什在接到獲獎(jiǎng)的電話通知時(shí)正與妻子一起回家，他說(shuō)：“我很幸運(yùn)，我在街上走著，正好經(jīng)過(guò)一個(gè)長(zhǎng)椅，所以我就馬上坐下來(lái)……當(dāng)我看到是瑞典的號(hào)碼時(shí)，我就知道好事來(lái)了，你知道那種感覺(jué)勢(shì)不可擋。”

量子計(jì)算機(jī)通過(guò)操控粒子的量子狀態(tài)來(lái)快速傳輸信息（漫畫(huà)）。

捕捉離子的陷阱

在阿羅什的實(shí)驗(yàn)中，光子是被囚禁的粒子，而原子是探針。而美國(guó)科學(xué)家戴維·瓦恩蘭設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)正好與之相反，他把離子（即帶電的原子）囚禁起來(lái)，用光子作為探針去探測(cè)和操控它。

1975年，瓦恩蘭被聘為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所物理研究員。在那里，他成為離子儲(chǔ)存團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人。應(yīng)用激光冷卻離子技術(shù)，這個(gè)團(tuán)隊(duì)制造出了至2012年為止最準(zhǔn)確的原子鐘。正是在研制原子鐘的過(guò)程中，瓦恩蘭設(shè)計(jì)了捕捉離子的陷阱。阿羅什是用光學(xué)陷阱來(lái)囚禁光子，瓦恩蘭則用電磁場(chǎng)作為陷阱來(lái)囚禁離子，這個(gè)陷阱的科學(xué)術(shù)語(yǔ)因此稱為“離子阱”。為了確保被囚禁的是單個(gè)離子，需要這個(gè)實(shí)驗(yàn)在超高真空和超低溫的條件下進(jìn)行。要實(shí)現(xiàn)這些條件又是十分高難度的事情。最終，瓦恩蘭完成了對(duì)單個(gè)離子的囚禁，測(cè)得了單離子的量子信息。

目前，許多研究人員都已經(jīng)能在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)粒子的囚禁，并在單粒子量子系統(tǒng)研究中取得了不少成果。但是，阿羅什和瓦恩蘭是這個(gè)領(lǐng)域的開(kāi)拓者，因此2012年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了他們。

粒子陷阱的用途

目前，離子阱和光子阱已被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)和技術(shù)研究的各個(gè)領(lǐng)域。尤其是近幾十年來(lái)，人們以離子阱為工具，把激光冷卻技術(shù)應(yīng)用于離子阱，為精密測(cè)量、制造新材料、觀察新現(xiàn)象、獲得新知識(shí)提供了廣泛的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

離子阱的研究還可以用來(lái)建造超高精度的原子鐘。在這種新型的原子鐘里，科學(xué)家用囚禁起來(lái)的離子取代了傳統(tǒng)原子鐘所采用的銫原子。目前，這種新型時(shí)鐘已經(jīng)達(dá)到了比傳統(tǒng)銫原子鐘高兩個(gè)數(shù)量級(jí)的精度。在那樣的精度下，哪怕從宇宙大爆炸之初開(kāi)始計(jì)時(shí)，迄今的累計(jì)誤差也只有區(qū)區(qū)幾秒。

建造出這種人類歷史上最精確的時(shí)鐘，到底有什么實(shí)際意義呢？意義可是相當(dāng)重大：人類可以更精確地測(cè)量各種宇宙常數(shù)，同時(shí)，也可以進(jìn)一步驗(yàn)證廣義相對(duì)論的各種預(yù)測(cè)。根據(jù)廣義相對(duì)論，在引力場(chǎng)強(qiáng)度更高的地方或是在速度更快的狀態(tài)下，時(shí)間的流逝將會(huì)變慢，這種微觀效應(yīng)很難在實(shí)際生活中觀察到。而通過(guò)世界上最精確的原子鐘，一個(gè)人即使是高度變化30米，或是以10米/秒的速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，時(shí)間對(duì)于他流逝的速度變化都可以測(cè)量出來(lái)——這將是驗(yàn)證廣義相對(duì)論對(duì)于時(shí)空特性的描述的絕佳工具。

和實(shí)現(xiàn)精密的測(cè)量、制造更精確的原子鐘相比，諾貝爾評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)認(rèn)可阿羅什和瓦恩蘭的原因是他們開(kāi)啟了量子計(jì)算機(jī)時(shí)代的大門。兩位獲獎(jiǎng)?wù)叩耐黄菩詫?shí)驗(yàn)方法使得整個(gè)研究領(lǐng)域向研制新型超快量子計(jì)算機(jī)又跨了一大步。由于量子計(jì)算機(jī)在理論上要比現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)快成千上萬(wàn)倍，人們十分期盼它能盡快變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

目前，量子計(jì)算機(jī)（在理論上將比現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)快成千上萬(wàn)倍）是各國(guó)科學(xué)家竭力攀登的高峰。但這不僅涉及技術(shù)問(wèn)題，也涉及許多基礎(chǔ)物理問(wèn)題。量子計(jì)算機(jī)需要克服的最大障礙是讓處于宏觀世界的我們?nèi)绾稳ゲ倏匚⒂^世界的粒子，最理想的情況是能夠操控單個(gè)量子。量子計(jì)算機(jī)研究面臨的難題之一就是如何操控單粒子的量子狀態(tài)，而兩位獲獎(jiǎng)科學(xué)家的研究讓量子計(jì)算機(jī)的理論基礎(chǔ)變得扎實(shí)起來(lái)。目前，科學(xué)家最樂(lè)觀的預(yù)測(cè)是10年后能夠出現(xiàn)最簡(jiǎn)單的量子計(jì)算機(jī)。

美國(guó)物理學(xué)會(huì)主席羅伯特·拜爾評(píng)價(jià)說(shuō)：“阿羅什和瓦恩蘭都通過(guò)優(yōu)美的實(shí)驗(yàn)手段使21世紀(jì)有望成為量子世紀(jì)?！笨赡艿?1世紀(jì)中葉，量子計(jì)算機(jī)就會(huì)徹底改變我們的日常生活，其影響跟傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在20世紀(jì)所做的不相上下。雖然量子計(jì)算機(jī)離實(shí)用還比較遙遠(yuǎn)，但是那一天一旦來(lái)到，新的技術(shù)革命也將隨之出現(xiàn)。而這兩塊諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獎(jiǎng)牌，就像是紀(jì)念人類探索量子世界的里程碑。

2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者簡(jiǎn)介

賽日爾·阿羅什，1944年生于摩洛哥的卡薩布蘭卡，現(xiàn)為法國(guó)籍。1967年于巴黎高等師范學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，1971年在巴黎第六大學(xué)獲得博士學(xué)位。曾任職于法國(guó)國(guó)家科研中心、法國(guó)綜合理工大學(xué)、巴黎高等師范學(xué)院，現(xiàn)為法蘭西大學(xué)教授、量子物理學(xué)會(huì)主席教授，歐洲物理學(xué)會(huì)和美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)員。

戴維·瓦恩蘭，1944年生于美國(guó)密爾沃基，美國(guó)物理學(xué)會(huì)、美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)的會(huì)員，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士。1965年于加州大學(xué)伯克利分校獲得學(xué)士學(xué)位，1970年在哈佛大學(xué)獲得博士學(xué)位，現(xiàn)任職于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所和科羅拉多大學(xué)博爾德分校。