物理學獎 探索光與物質(zhì)之“舞”
10月9日，法國與美國兩位物理學家因為在量子光學領域?qū)馀c物質(zhì)間的密切關系和相互作用的研究中做出巨大貢獻而獲2012年諾貝爾物理學獎，他們是法國巴黎法蘭西學院和巴黎高等師范學院68歲的物理學家塞爾日·阿羅什（SergeHaroche）和美國國家標準與技術研究院和美國科羅拉多大學68歲的物理學家戴維·瓦恩蘭（DavidWineland）。
由于單個粒子很難從周圍環(huán)境中隔離觀測，使得量子物理學中很多奇特現(xiàn)象無法被觀測到。但這兩位獲獎者通過實驗，發(fā)現(xiàn)了能夠直接觀察單個粒子卻不對其產(chǎn)生破壞的方法，使得科學家能夠直接對微觀過程進行量子模擬，如亞原子模擬，并可能最終導致產(chǎn)生量子計算機和超精確的時鐘。
過去一百年里，科學家們已經(jīng)知道原子的行為頗為古怪，在自然的微觀世界里，一些科學常識方面的定律被其內(nèi)部奇怪的量子力學規(guī)律所顛覆。
量子力學的奠基人之一薛定諤曾解釋道，根據(jù)量子原理，箱子打開前，箱中之貓“既死又活的”，非要有人打開箱子看一眼貓是死是活才能確定。
直到幾年前，這個問題還是個哲理問題，對于物理學家們來說，量子力學也是如此奇妙，例如每次當你打開你的電腦時，就會感受到這種類似的奇妙感覺。但一些物理學家覺得，真正的問題是，為何在我們?nèi)粘Ｊ澜缋锞筒皇沁@樣的呢？例如，當你要拿你的太陽鏡時，它不可能同時既在車上，又在避暑小屋里，或在擱架上，而只能是靜靜地躺在其中的某個地方。
如今，由于這兩位物理學家的發(fā)現(xiàn)，科學家們能夠直接進行實驗，捕捉自然界中的量子行為，從而探索量子現(xiàn)象和普通生活的界線在哪里。他們的工作是將自然界中的某些物質(zhì)——如光子和原子——分離出來，觀察它們的行為和互相之間的關系。
哈羅什博士瓦恩蘭博士是合作了25年的好友，他們以獨特的方式來探索光與物質(zhì)的“舞蹈”，哈羅什博士利用經(jīng)過精細拋光的鏡像腔捕捉光子，在光子逃逸或被吸收之前，一個光子來回反彈的時間為十分之一秒——在原子物理學中就是光子的一生，然后，他放出一個“偵測”原子，與光產(chǎn)生相互作用。
在通常情況下，檢測到光就意味著摧毀了它，檢測到的光子會被我們的視網(wǎng)膜或被相機的芯片所吸收，但在某種例外的情況下，哈羅什通過觀察光在原子上產(chǎn)生的微妙影響，他和他的同事們可以對光子計算，而不會導致光子被摧毀，“就好像它們是放在盒子里的彈珠一樣，”他在他的網(wǎng)站上如此說道。
1996年，哈羅什將他們的實驗比作薛定諤的貓，即“盒子”里的光子就像“薛定諤貓的狀態(tài)”，同時在兩個相反的方向之間擺動，然后他們通過發(fā)送“偵測”原子，測定這樣的“貓態(tài)”存在多長時間才衰減，或重新回復到量子狀態(tài)。
在最近的實驗中，他們已經(jīng)開發(fā)出讓“貓態(tài)”維持更長時間的反饋技術，這種技術將是實現(xiàn)量子計算機夢想的關鍵，以所謂的量子比特來解決超越普通電腦能力之外的一些超巨大數(shù)據(jù)的計算問題。量子計算機與周圍環(huán)境分離的“量子比特”擁有神奇的計算能力，但同時必須找到一種測量量子比特的方法，以讀出量子計算機的計算結果。
瓦恩蘭博士的工作主要集中于接受光子的物質(zhì)材料方面，過去15年內(nèi)，諾貝爾物理獎多次授予美國國家標準與技術研究所內(nèi)涉及原子捕獲和測量研究的科學家，今年已是第四次。瓦恩蘭博士和他的同事在電場中捕獲帶電鈹原子或離子，并在特別調(diào)諧激光器中加以冷卻，使它們幾乎不發(fā)生移動。
瓦恩蘭博士說道，他多年來從事這方面研究是出于人類對更精確時鐘的需要。他在接受采訪時說道，“從歷史上看，有更好的時鐘，就意味著有更好的導航能力。”
任何原子的振動和發(fā)光都有非常精確的頻率，瓦恩蘭和他的同事們用他們捕獲的離子，制造出了世界上最精確的時鐘。
現(xiàn)代原子鐘用的是銫原子，這種原子在微波頻率范圍內(nèi)振動，但可見光的振動頻率遠高于微波，每一次振蕩都是完美時鐘的一次“滴答”。一種基于可發(fā)出可見光的鋁離子的新型光學時鐘，其精確度勝過銫原子時鐘的100倍左右。瓦恩蘭說，這種新型光學時鐘擁有驚人的精確度，宇宙誕生至今137億年的時間長河里只有5秒誤差。科學家們同時指出，要造出真正的量子計算機，他們?nèi)杂写罅康墓ぷ饕觥＃ǚ搅晟?編譯）
