光學的新世紀

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

格勞伯在回答記者問及他準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金。”霍爾說，他將用所得的諾貝爾獎金設立一份獎學金。資助就讀科學和技術課程的學生。格勞伯獲得一半諾貝爾物理學獎獎金約130萬美元，其他兩位科學家分享另一半的獎金。他們三人在青少年時代就表現出了對物理學的濃厚興趣和非凡天賦。都是當年物理學領域的青年才俊。其中，格勞伯24歲時便獲得哈佛大學的博士學位，霍爾27歲時獲得卡內基理工學院的博士學位，而亨施則在28歲時獲得海德堡大學的博士學位。

1963年，格勞伯在《物理評論通訊》期刊上發表研究論文，創造性地提出了“相干性量子理論”，此后，他又在《物理評論》等雜志上發表了幾篇相關論文。這些論文奠定了量子光學學科的理論基礎，也為格勞伯贏得了“量子光學之父”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向前發展。1984年，他們的論文發表在《光學通訊》雜志上。之后，他們又改進了光梳技術。

20世紀激光器的出現使人們產生了這樣的疑問：激光和普通光有什么不同?格勞伯提出的“光學相干的量子理論”使我們認識了燭光與激光間的本質區別。燭光是由多頻率和多相位(高中物理將學到)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生干涉。而激光幾乎是由一種光子產生的光，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的理論指導，而霍爾和亨施正是在格勞伯的基礎上，繼續深入進行了激光的相關研究。

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中首先要解決的20世紀70年代末，亨施首次提出了用頻率超級穩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。“光梳”可以用來測定未知頻譜的具體頻率)技術，并發表了研究論文。

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定。從而解決了精密光譜學和光梳技術的關鍵問題，獲得了頻率超級穩定的參照光。人們據此可以制造極其鋒利的激光儀，發展了精密的光梳技術。利用此技術，科學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，就好像經過了一個極為細密的梳子，梳子一過，極為細密的毛發都呈現出來。光梳技術也可幫助科學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銫原子鐘精確上千倍。利用它還可以改進現有的全球定位系統，發現最為微小的差別，實現精確定位等等。

麥克斯韋的電磁理論，愛因斯坦的光子理論和這三位科學家的理論是現代的光纖通信、無線通信技術的基礎。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系提供更多的可能，例如可以讓攜帶無線電、手機數據傳輸的頻率更加精確等等。

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

責任編輯 蔡華杰