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诺贝尔物理学奖获得者:探索光与物质之“舞”

发布时间:2013-11-20 09:16:21 点击浏览:

塞尔日•阿罗什(右)在实验室

工作中的戴维•瓦恩兰


  10月9日,法国与美国两位物理学家因为在量子光学领域对光与物质间的密切关系和相互作用的研究中做出巨大贡献而获2012年诺贝尔物理学奖,他们是法国巴黎法兰西学院和巴黎高等师范学院68岁的物理学家塞尔日•阿罗什(SergeHaroche)和美国国家标准与技术研究院和美国科罗拉多大学68岁的物理学家戴维•瓦恩兰(DavidWineland)。
    由于单个粒子很难从周围环境中隔离观测,使得量子物理学中很多奇特现象无法被观测到。但这两位获奖者通过实验,发现了能够直接观察单个粒子却不对其产生破坏的方法,使得科学家能够直接对微观过程进行量子模拟,如亚原子模拟,并可能最终导致产生量子计算机和超精确的时钟。
过去一百年里,科学家们已经知道原子的行为颇为古怪,在自然的微观世界里,一些科学常识方面的定律被其内部奇怪的量子力学规律所颠覆。
    量子力学的奠基人之一薛定谔曾解释道,根据量子原理,箱子打开前,箱中之猫“既死又活的”,非要有人打开箱子看一眼猫是死是活才能确定。
    直到几年前,这个问题还是个哲理问题,对于物理学家们来说,量子力学也是如此奇妙,例如每次当你打开你的电脑时,就会感受到这种类似的奇妙感觉。但一些物理学家觉得,真正的问题是,为何在我们日常世界里就不是这样的呢?例如,当你要拿你的太阳镜时,它不可能同时既在车上,又在避暑小屋里,或在搁架上,而只能是静静地躺在其中的某个地方。
    如今,由于这两位物理学家的发现,科学家们能够直接进行实验,捕捉自然界中的量子行为,从而探索量子现象和普通生活的界线在哪里。他们的工作是将自然界中的某些物质——如光子和原子——分离出来,观察它们的行为和互相之间的关系。
    哈罗什博士、瓦恩兰博士是合作了25年的好友,他们以独特的方式来探索光与物质的“舞蹈”,哈罗什博士利用经过精细抛光的镜像腔捕捉光子,在光子逃逸或被吸收之前,一个光子来回反弹的时间为十分之一秒——在原子物理学中就是光子的一生,然后,他放出一个“侦测”原子,与光产生相互作用。
    在通常情况下,检测到光就意味着摧毁了它,检测到的光子会被我们的视网膜或被相机的芯片所吸收,但在某种例外的情况下,哈罗什通过观察光在原子上产生的微妙影响,他和他的同事们可以对光子计算,而不会导致光子被摧毁,“就好像它们是放在盒子里的弹珠一样,”他在他的网站上如此说道。
    1996年,哈罗什将他们的实验比作薛定谔的猫,即“盒子”里的光子就像“薛定谔猫的状态”,同时在两个相反的方向之间摆动,然后他们通过发送“侦测”原子,测定这样的“猫态”存在多长时间才衰减,或重新回复到量子状态。
    在最近的实验中,他们已经开发出让“猫态”维持更长时间的反馈技术,这种技术将是实现量子计算机梦想的关键,以所谓的量子比特来解决超越普通电脑能力之外的一些超巨大数据的计算问题。量子计算机与周围环境分离的“量子比特”拥有神奇的计算能力,但同时必须找到一种测量量子比特的方法,以读出量子计算机的计算结果。
    瓦恩兰博士的工作主要集中于接受光子的物质材料方面,过去15年内,诺贝尔物理奖多次授予美国国家标准与技术研究所内涉及原子捕获和测量研究的科学家,今年已是第四次。瓦恩兰博士和他的同事在电场中捕获带电铍原子或离子,并在特别调谐激光器中加以冷却,使它们几乎不发生移动。
    瓦恩兰博士说道,他多年来从事这方面研究是出于人类对更精确时钟的需要。他在接受采访时说道,“从历史上看,有更好的时钟,就意味着有更好的导航能力。”
    任何原子的振动和发光都有非常精确的频率,瓦恩兰和他的同事们用他们捕获的离子,制造出了世界上最精确的时钟。
    现代原子钟用的是铯原子,这种原子在微波频率范围内振动,但可见光的振动频率远高于微波,每一次振荡都是完美时钟的一次“滴答”。一种基于可发出可见光的铝离子的新型光学时钟,其精确度胜过铯原子时钟的100倍左右。瓦恩兰说,这种新型光学时钟拥有惊人的精确度,宇宙诞生至今137亿年的时间长河里只有5秒误差。科学家们同时指出,要造出真正的量子计算机,他们仍有大量的工作要做。

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