走近諾貝爾獎（十二） 設個陷阱捉粒子

楊先碧

對于單個粒子來說，經典物理學定律已不再適用，量子物理學開始“接手”。但從環境中分離出單個粒子并非易事，而且一旦粒子融入外在世界，其神秘的量子性質便會消失。兩名“粒子獵人”一起獲得了2012年諾貝爾物理學獎，他們分別是法國物理學家賽日爾·阿羅什和美國物理學家戴維·瓦恩蘭。兩位科學家證明，他們能夠直接觀測單個的量子粒子而又不破壞它們，從而開創了量子物理實驗的一個全新紀元。

難以觀測的粒子

兩千多年前，古希臘哲學家德謨克利特就認為，物質是由原子組成的。“原子”一詞的英文就來自希臘文，含義為“不可分割的”。

但是，直到18世紀才開始有現代意義上的原子理論，而原子的真正奧秘則直到20世紀才開始被揭示。這究竟是為什么呢？因為原子實在太小了，看不見、摸不著。如今我們知道，原子并非是“不可分割的”，它是由更小的粒子所組成的。

所謂粒子，是指構成物質的比原子核更簡單的物質，包括電子、質子、中子、光子、介子和超子等。科學家最早發現的粒子是電子和質子，1932年又發現了中子，確認原子由電子、質子和中子組成。以后發現的粒子越來越多，累計已超過幾百種，且還有不斷增多的趨勢。

后來，科學家還發現，微觀世界的粒子所遵循的物理規律和宏觀世界有所差異。宏觀世界的能量是連續的，而微觀世界的能量是按照最小的單元跳躍式增長。這種能量的最小單元稱為量子。在此基礎上建立起來的物理學稱為量子物理學，原子、電子、光子等粒子的活動則遵循量子物理學的相關定律。

有意思的是，量子物理學雖然表述的是微觀粒子的活動規律，卻是在宏觀觀測的基礎上建立起來的。也就是說，物理學家觀測粒子的宏觀活動，然后推測出這些粒子的微觀量子特征。

我們知道，在傳統物理學領域，我們要了解某個物體的特征，可以直接觀測單個的物體。比如，我們要總結滾動摩擦的特性，可以用一輛帶輪子的小車來做實驗。那么，為什么量子物理學家不直接觀測單個粒子呢？這是因為單個粒子實在太小，且太活潑了，要找到單個的粒子就已經很不容易了，即使找到它們，它們也不會按照某種規律停留在某個地方或某個軌跡上。

捕捉光子的陷阱

由于粒子太小太活潑，于是科學家自然就想到設置個“陷阱”去困住這些粒子。這個思路聽起來很簡單，似乎常人都能想到。但是，設置這個陷阱卻是個高難度的事情，一度被科學界認為是不可能的事情。法國物理學家賽日爾·阿羅什卻率先完成了這個似乎不可能的任務。

阿羅什（右）在進行光子阱實驗

從1990年開始，阿羅什就在設法完成這個任務。最終，他在接近絕對零度（零下273攝氏度）的溫度條件下，用兩個高性能超導體充當的反光鏡組成了一個光學陷阱。這種陷阱的科學術語為“高反射光學微腔”，或“光子阱”。

接下來，阿羅什成功地把一些光子引入到光子阱中。這些光子被困在反光鏡陷阱中的時間僅僅為0.1秒。這個時間對我們普通人來說實在太短了，也不過一眨眼的時間。但是，對于量子物理學家來說，這個時間已經足夠長了。

在這短短0.1秒的時間內，光子不斷反彈的總移動距離居然高達3萬千米，足以做很多測量和操控動作。阿羅什就是抓住了這個轉瞬即逝的機會，將一個極為活躍的“里德博原子”送入“陷阱”中作為探針。這個原子在捕獲光子后，將單個光子的量子信息呈現出來，就如同X光描繪出人體的內部構造一樣。

阿羅什早在20年前就設置出光子阱，而且他一直堅持從事這個領域的研究，并不斷獲得新的突破。2011年，阿羅什在光子阱實驗中引入反饋機制。當發現光子阱中的光子數變少時，他就注入新光子，令光子阱中保持固定數目的光子。采用這樣的方法，就好像把一些光子永久地困在了光子阱中，這超越了愛因斯坦的希望——將光子困住幾秒。

阿羅什花了很大的力氣來建立光子阱，但是他曾經也不太清楚他的研究成果究竟會有什么實際應用。他說：“如果你像我們一樣研究單個的粒子，那么你將可以以一種奇妙的方式來揭示量子力學，并且你也可以研究所有的量子過程。”也許，好奇心才是驅動他一生進行這項研究的動力，而研究工作本身就是對他最好的報答。

阿羅什在接到獲獎的電話通知時正與妻子一起回家，他說：“我很幸運，我在街上走著，正好經過一個長椅，所以我就馬上坐下來……當我看到是瑞典的號碼時，我就知道好事來了，你知道那種感覺勢不可擋。”

量子計算機通過操控粒子的量子狀態來快速傳輸信息（漫畫）。

捕捉離子的陷阱

在阿羅什的實驗中，光子是被囚禁的粒子，而原子是探針。而美國科學家戴維·瓦恩蘭設計的實驗正好與之相反，他把離子（即帶電的原子）囚禁起來，用光子作為探針去探測和操控它。

1975年，瓦恩蘭被聘為美國國家標準技術研究所物理研究員。在那里，他成為離子儲存團隊的負責人。應用激光冷卻離子技術，這個團隊制造出了至2012年為止最準確的原子鐘。正是在研制原子鐘的過程中，瓦恩蘭設計了捕捉離子的陷阱。阿羅什是用光學陷阱來囚禁光子，瓦恩蘭則用電磁場作為陷阱來囚禁離子，這個陷阱的科學術語因此稱為“離子阱”。為了確保被囚禁的是單個離子，需要這個實驗在超高真空和超低溫的條件下進行。要實現這些條件又是十分高難度的事情。最終，瓦恩蘭完成了對單個離子的囚禁，測得了單離子的量子信息。

目前，許多研究人員都已經能在實驗室中實現對單個粒子的囚禁，并在單粒子量子系統研究中取得了不少成果。但是，阿羅什和瓦恩蘭是這個領域的開拓者，因此2012年的諾貝爾物理學獎頒發給了他們。

粒子陷阱的用途

目前，離子阱和光子阱已被廣泛地應用于科學和技術研究的各個領域。尤其是近幾十年來，人們以離子阱為工具，把激光冷卻技術應用于離子阱，為精密測量、制造新材料、觀察新現象、獲得新知識提供了廣泛的實驗基礎。

離子阱的研究還可以用來建造超高精度的原子鐘。在這種新型的原子鐘里，科學家用囚禁起來的離子取代了傳統原子鐘所采用的銫原子。目前，這種新型時鐘已經達到了比傳統銫原子鐘高兩個數量級的精度。在那樣的精度下，哪怕從宇宙大爆炸之初開始計時，迄今的累計誤差也只有區區幾秒。

建造出這種人類歷史上最精確的時鐘，到底有什么實際意義呢？意義可是相當重大：人類可以更精確地測量各種宇宙常數，同時，也可以進一步驗證廣義相對論的各種預測。根據廣義相對論，在引力場強度更高的地方或是在速度更快的狀態下，時間的流逝將會變慢，這種微觀效應很難在實際生活中觀察到。而通過世界上最精確的原子鐘，一個人即使是高度變化30米，或是以10米/秒的速度進行運動，時間對于他流逝的速度變化都可以測量出來——這將是驗證廣義相對論對于時空特性的描述的絕佳工具。

和實現精密的測量、制造更精確的原子鐘相比，諾貝爾評獎委員會認可阿羅什和瓦恩蘭的原因是他們開啟了量子計算機時代的大門。兩位獲獎者的突破性實驗方法使得整個研究領域向研制新型超快量子計算機又跨了一大步。由于量子計算機在理論上要比現有的計算機快成千上萬倍，人們十分期盼它能盡快變為現實。

目前，量子計算機（在理論上將比現在的計算機快成千上萬倍）是各國科學家竭力攀登的高峰。但這不僅涉及技術問題，也涉及許多基礎物理問題。量子計算機需要克服的最大障礙是讓處于宏觀世界的我們如何去操控微觀世界的粒子，最理想的情況是能夠操控單個量子。量子計算機研究面臨的難題之一就是如何操控單粒子的量子狀態，而兩位獲獎科學家的研究讓量子計算機的理論基礎變得扎實起來。目前，科學家最樂觀的預測是10年后能夠出現最簡單的量子計算機。

美國物理學會主席羅伯特·拜爾評價說：“阿羅什和瓦恩蘭都通過優美的實驗手段使21世紀有望成為量子世紀。”可能到21世紀中葉，量子計算機就會徹底改變我們的日常生活，其影響跟傳統計算機在20世紀所做的不相上下。雖然量子計算機離實用還比較遙遠，但是那一天一旦來到，新的技術革命也將隨之出現。而這兩塊諾貝爾物理學獎獎牌，就像是紀念人類探索量子世界的里程碑。

2012年諾貝爾物理學獎獲得者簡介

賽日爾·阿羅什，1944年生于摩洛哥的卡薩布蘭卡，現為法國籍。1967年于巴黎高等師范學院獲得學士學位，1971年在巴黎第六大學獲得博士學位。曾任職于法國國家科研中心、法國綜合理工大學、巴黎高等師范學院，現為法蘭西大學教授、量子物理學會主席教授，歐洲物理學會和美國物理學會會員。

戴維·瓦恩蘭，1944年生于美國密爾沃基，美國物理學會、美國光學學會的會員，美國國家科學院院士。1965年于加州大學伯克利分校獲得學士學位，1970年在哈佛大學獲得博士學位，現任職于美國國家標準與技術研究所和科羅拉多大學博爾德分校。