激光冷却离子——中国学者解读2012年度诺贝尔物理学奖

2012-10-10 09:47

　　“不可想象”的突破

　　当天上午，瑞典皇家科学院常任秘书诺尔马克在皇家科学院会议厅宣读了获奖者名单及其获奖成就。他说，这两位物理学家用突破性的实验方法使单个粒子动态系统可被测量和操作。他们独立发明并优化了测量与操作单个粒子的实验方法，而实验中还能保持单个粒子的量子物理性质，这一物理学研究的突破在之前是不可想象的。

　　随后，诺贝尔物理学奖评选委员们介绍了获奖者的研究成果。他们说，通过巧妙的实验方法，阿罗什和瓦恩兰的研究团队都成功地测量和控制了非常脆弱的量子态，这些新的实验方法使他们能够检测、控制和计算粒子。

　　单个粒子极难俘获

　　在基本粒子所处微观层面上，单个粒子一方面难以与周围环境分离；另一方面是一旦与周围环境相互作用，随即失去量子特性；另外，如果两个粒子相互作用，即使两者分离，互动作用会继续存在。瑞典皇家科学院也认为，单个粒子很难从周围环境中隔离观测，一旦它们与外界发生交互，通常会失去神秘的量子性质，使得量子物理学中很多奇特现象无法被观测到。

　　相当长一段时期内，量子物理学理论所预言的诸多神奇现象难以在实验室环境下直接“实地”观测和验证，只存在于研究人员的“思维实验”中。

　　评委会认定，两人“开启量子物理学实验新时代的大门，显示不必损毁量子粒子个体，就可以直接观测它们”。

　　两位获奖者的实验方法有很多相似之处，瓦恩兰困住带电原子或离子，通过光或光子来控制和测量它们；而阿罗什却让原子通过一个陷阱，从而控制和测量被困光子和光的粒子。

　　让光与物质“起舞”

　　法国物理学家塞尔日·阿罗什在他个人网页上说，接到电话时，“我一看……瑞典的号码，我就知道好事来了”。“这是个惊喜！”这是他最初获知得奖的反应。

　　如果用“让光与物质起舞”来形容两位获奖者的工作，并不为过。复旦大学物理系教授沈健介绍，两位科学家的研究有许多共通之处——都是光与物质在微观世界中的相互作用，但“方向”却截然相反。戴维•瓦恩兰在真空和超低温条件下，巧妙使用激光束和激光脉冲制造出“陷阱”，来俘获单个带电离子，让它陷于其中难动分毫，而后以光为尺，对其进行观测、操控。塞尔日•阿罗什则反其道而行之。他以特制的两个镜面做成“腔”装置，当微波光子通过时，在两面镜子之间高速反弹，在腔中停留时间达0.1秒。如此，光子被牢牢控制住后，再派原子进去“巡逻探查”，以此掌握单个光子在量子态下的运动。