阿羅什 暢想量子的美好世界

文/李 釗

10月9日，瑞典皇家科學院諾貝爾獎委員會宣布，由于在量子光學領域所取得的杰出成就，法國科學家塞爾日·阿羅什和美國科學家大衛·瓦恩蘭共同獲得2012年度諾貝爾物理學獎。

塞爾日·阿羅什出生在摩洛哥卡薩布蘭卡，父親是猶太人，母親是俄羅斯人，他的妻子則是一名人類學和社會學家，他的祖父曾在摩洛哥“法語聯盟”從事法語教學工作。在他12歲那年，阿羅什舉家遷居法國。

其實早在獲得諾獎之前，阿羅什已經是法國乃至世界范圍內量子光學領域的杰出人物。2009年，阿羅什獲得法國國家科研中心金質獎章，以獎勵他在量子光學領域的巨大貢獻。2012年的諾貝爾物理學獎，讓這位謙和、低調和熱愛藝術的法國科學家再一次在世人面前“閃耀”。

他的名字永遠鐫刻在了巴黎高師的榮譽墻上

阿羅什就職于法國最負盛名的教育科研機構——巴黎高等師范學院，巴斯德、薩特、傅立葉、羅曼·羅蘭、福柯、伽洛瓦等一個個在法國科技史、文化史上閃耀的名星，都曾在這所學校求學。而現在，阿羅什也像前輩們一樣，把自己的名字永遠鐫刻在了巴黎高師的榮譽墻上。

由于是法國精英教育的標桿性圣地，巴黎高師在招收學生上向來慎之又慎，在筆試之后，還至少要經過三輪面試。而這所學校每年最終所錄取的學生人數也不過區區幾十人，所以學校各級學生和外國留學生的總規模一直控制在2000 人左右。在法國教育界，一直流傳著這樣一種說法，只要拿到巴黎高師第一輪面試資格的學生，就可以去法國任何大學和研究所上學。巴黎高師的既往歲月中，誕生了無數的科學和人文藝術領域的大師，共計有10位來自物理、化學、經濟學、文學領域的諾貝爾獎獲得者和9位菲爾茲獎得主。

繪畫與歌劇給予了他科研激情

阿羅什位于巴黎高師辦公室的墻上貼滿了各種圖表和怪異公式，很容易讓初次結識他的人產生錯覺，阿羅什就是一個潛心量子物理的“科學怪人”。可實際上，阿羅什除了物理學，對繪畫、歌劇等藝術領域也非常感興趣。他在接受法國《世界報》采訪時說，繪畫與歌劇給予了自己科研的激情。他在科學與藝術之間找到了“共振”與“共鳴”。現代物理學本身就在晦暗莫測的領域里探索和研究，這和藝術領域里追求更新更高的突破并無不同，都是在追求各自領域里“神秘而有趣的東西”。

阿羅什藝術方面的興趣最好的說明就是：有一次在維也納舉行的科學會議期間，他專門拿出一天時間去美術館欣賞克里姆特和席勒的畫作，他認為現在藝術家畫作中反映出的“興奮”和“關注”正是量子物理學的核心追求所在。

阿羅什有著一雙超乎常人的眼睛。對他來說，任何事物都不是非黑即白，世界萬物都可以既是黑色又是白色。更妙的是，他認為一件東西并不是在這里或那里，而是既在這里又在那里。對他而言，門沒有打開或關閉，它可以同時打開和關閉。阿羅什認為，探究一個生命是活著還是死了并無意義，生命可以同時存在活著的和死去的兩種狀態。而所有這些異于常人甚至驚世駭俗的觀察和判斷，正是來源于他長期在量子物理學領域的鉆研和探索。

阿羅什認為，量子物理學是一個混亂的世界。但在這個矛盾的世界里卻可以找到唯一確定性，那就是隨機和最最直觀的真理。

黑色的短發里夾雜著幾簇銀發，一直穿著深色襯衫，說話時慣用手勢的阿羅什喜歡引領談話者走進他的想法和世界。他說，正如藝術領域從印象派到立體主義的過渡不乏激進，現在物理學的研究也走過了一條不平凡的道路。一方面，經典物理學的定律依然適用于我們的現實世界，尤其是大型物體的規律和運行如行星和星系；另一方面，量子物理學的原則更多適用于原子、基本粒子和無限小的物理學領域。相對而言，后者是一個更加廣闊和神秘的空間。

阿羅什說，在量子物理學的層次上來看，材料可以定義為幾個能量水平的一次“疊加”，而且由于物質雙重性質的粒子性和波動，一個物體可以同時顯示出現在不同的地方。不確定性是物質最本質和原始的狀態，而人們一旦開始用科學的手段測量，為了得到物質的一個基本準確定義，則已經認為疊加了能量水平，那么這時得到和測出的物質已然不準確了。這就是為什么在日常生活中，受環境的影響，物質的狀態一直是改變和不確定的，多個能量水平的疊加狀態是如此短暫，普通科研器械根本難以捉摸。因此，在阿羅什看來，物體可以同時是白色和黑色，門既開又閉，而物質永遠不死即物質不滅。

他選擇量子光學作為主攻方向

20世紀60年代，光學物理經歷了一場革命，物理學家在了解光捕獲和處理問題上取得了重大突破，而那時正是阿羅什致力于量子光學研究的開始。在短暫的工程師和法國國家科研中心工作經歷后，阿羅什選擇來到巴黎高師，開始了自己在量子物理學領域的“探險”歷程。他的研究偏重于原子之間的相互作用和輻射，阿羅什認為，了解世界最根本的依據來自周圍的環境，而環境中所有的信息和能量物質傳遞都可以通過光的方式。所以在龐大的量子物理學領域，他又選擇量子光學作為主攻方向。

在量子光學領域，愛因斯坦、玻爾等科學巨擘奠定了“理論虛擬思想實驗”的基礎，而量子力學之父——薛定諤則通過著名的思想試驗——薛定諤的貓，將量子力學中的反直觀的效果轉嫁到日常生活中的事物上來。在前輩們研究的基礎上，阿羅什通過艱苦卓絕但不無趣味的努力，成功地馴服原子和光子。他成功觀察到量子疊加，彌補了實驗室顯示器實時觀察連貫性時的損失。他發明的新檢測方法在觀察的同時并不介入，這樣就不會破壞光子的傳播。毫無疑問，這是一個杰作，一個偉大的創舉。

在阿羅什的實驗室里，林立的管道和氣瓶都用鋁箔牢牢包裹著，幾乎所有的實驗器材都是他和自己的同事學生親手制成的。設備雖然簡陋，但包含多項世界領先甚至獨創的觀測技術。

實驗室的一面墻壁可以被冷卻到接近絕對零度，而此時光子就可以被捕獲到足夠長的時間。要知道，光子在百分之一秒的時間里就可以反彈超過1 億次，行駛40000公里，這相當于繞地球一圈。阿羅什的創新實驗方法，可以觀察到光子運動在兩個能量級之間過渡的一個小小轉變的節拍，并捕捉到這個節奏轉變中注入的原子，從而證明物質是能量層疊加的存在。

政府應重視和加強基礎研究工作

量子力學研究的明天是什么？這聽起來可能是一個過于功利性的題目。但實際上，量子物理學在信息時代價值日益重要且不可替代，海量信息系統維護和資料加密要求不斷提高的今天，都需要量子力學的突破和進展。

在阿羅什看來，科學研究和經濟利益不應該沾邊，為了科學本身而研究，最終自然就會作用于人類共同的提高和進步。他認為，政府絕對不應該按照回報率和投入產出比來制定科研經費的分配，因為科學研究是“文化和文明的標志，是一門最最高貴的藝術”。

阿羅什呼吁政府要進一步重視和加強基礎研究工作，這里面物質條件的困境還不是最主要的問題，最要緊的是不要通過資金分配的手段，打擊青年研究人員投身于基礎研究的積極性。目前科研領域把絕大部分資金投入到信息技術、新能源等所謂高精尖的前沿領域，而最基本、最基礎的科學理論研究長時間得不到足夠重視，這樣的分配手法令人不安。他認為，基礎研究的受益者是全人類，而最終也會反饋于經濟社會，基礎研究的成果才是真正的國家財富。

獲得諾貝爾獎的秘訣

2012年10月17日，阿羅什在《自然》雜志撰文，與讀者分享了他獲得諾獎的秘訣，并建議為年輕科學家提供良好的研究條件和氛圍。

在研究過程中，幸運這一因素發揮了一定作用。但比幸運更重要的是，我們的成功主要依靠巴黎高等師范學院獨特的智力和物質環境。我在這里能夠組建一支極其出色的永久性研究團隊，我能夠將長期積累的各種技能和知識不間斷地傳授給一批又一批的優秀學生。我在巴黎高等師范學院為研究生教授的課程，以及在過去10年間一直在法蘭西學院教授的課程，同樣也為我獲得諾貝爾獎做出了貢獻，因為每年都需要準備一系列新的講座，這使我能夠專注于光與物質間相互作用的不同方面。

只有在穩定可靠的經費支持下，我們的實驗工作才能取得成功，而這些經費主要是由管理我們實驗室的相關機構所提供，歐洲和歐洲之外的一些國際機構也提供了必要的補充經費。此外，歐洲流動計劃的靈活機制使我們的實驗室能夠向來訪的國外科學家開放，他們帶來的各種新知識、技能和科學文化，使我們得以不斷完善自己。在長期探索微觀世界的過程中，我和同事始終都能夠保持選擇研究途徑的自由，而不是以是否具有實用可能性和前景來衡量之。

不幸的是，無論是在法國或在歐洲其他國家，我所受益的環境對目前的年輕科學家來說幾乎不大可能具備。經濟危機所造成的研究資源匱乏，再加上探索解決諸如健康、能源和環境等現實問題之科學途徑的限制條件，人們更傾向于支持短期目標取向的研究計劃，而不是長期的基礎研究。科學家不得不提前闡明其所有的研究步驟，詳盡列出每一個重要的研究階段，解釋清楚在研究方向上的所有變化。如果將科學研究的途徑延展得太遠，這不僅不利于由好奇心驅動的研究，而且也不能使應用研究達到其預期目標，因為許多實用設備都來自于基礎研究的突破性進展，永遠不會出自于事先設計好的藍圖。

也許有人會認為我的觀點過于悲觀。目前，確實有一些機構（如法國國立研究局和歐洲研究委員會）資助一些由好奇心驅動的研究項目，但對其資助的期限僅為3年至5年，這對于一項雄心勃勃的研究計劃來說實在太短。由于國家對實驗室資助經費的周期性減少，因此年輕科學家進行的長期性研究經費不斷縮減，毫無疑問，在可預見的未來，這類經費也不可能大幅增加。解決該問題的方案之一，就是建立一個年輕科學家歐洲研究委員基金，其資助期限應在10年以上，同時設立中期評估機制。

薪水太低是法國存在的另一問題。在法國研究機構工作的博士后，其初始薪水遠低于那些由歐洲研究委員會基金支付費用的同行。隨著資歷的增加，其薪水將會隨之增加，但年輕科學家（即便是非常成功的年輕科學家）受困于薪水底層的時間過長。如果在這個系統能夠投入更多的資金，應該向這些處于薪水低洼地的年輕科學家傾斜。

我們可以不用花費任何代價就能獲得不少改善。法國學術機構較為龐大，各種研究委員會、學校和政府機構相互交織，龐大的官僚體制困擾著科學家——他們不得不花費大量的時間填寫表格和完成報告，而不是從事具體的研究。因此，目前的這種體制呼喚簡單化。

如果由于我的實驗獲得諾貝爾獎而能夠吸引優秀的年輕學生進行基礎科學研究，我將非常高興。我只希望他們能夠獲得類似于我和共同獲獎者大衛·維因蘭德曾幸運得到的經歷——能夠自由地選擇他們的研究目標，并且能長期地支配自己的努力，在看到光明之前有能力承擔得起讓自己馳騁在充滿荊棘道路上的各項花費。