从仰望苍穹到微观量子,与诺奖大师共赴追“光”之旅

从仰望苍穹到微观量子,与诺奖大师共赴追“光”之旅

来源:中国日报网    2023-11-16 17:15
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2023-11-16 17:15 
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“热情,求知,直觉,机遇。”

从立志成为天文学家,到倾尽一生探索光的科学,终将“薛定谔的猫”思想实验变为现实,法兰西公学院名誉教授、2012年诺贝尔物理学奖得主塞尔日·阿罗什(Serge Haroche)在11月8日上午的第四期“浦江科学大师讲坛”上,总结出自己做科研的四个关键词。

光学是物理学中古老的学科,又是当前科学研究中最活跃的学科之一,推动着人类对自然的认知不断深化和人类社会的进步。科学家眼中的“光”是什么样的?以“光的科学: 从伽利略到量子物理”为题,阿罗什从自己的求学生涯讲起,追溯17世纪以来光的科学史,并将新型量子技术的前沿发展娓娓道来。

上海市政协副主席吴信宝出席讲坛并为阿罗什颁发“主讲科学家”纪念证书,复旦大学校长、中国科学院院士金力主持讲坛。市政协科教委、市科技党委、市科委、市教委、市科协等单位负责人,上海市各高校、中学师生及科研人员代表出席活动。

带着好奇与热情投身科学研究

“我从年轻的时候,就为光的科学所折服和着迷。”

讲座伊始,阿罗什真挚回忆了青年时期的求学经历。年少的他出于对光的浓厚兴趣,立志今后从事天文学的研究。

1966年,20岁的他进入巴黎高等师范学院的卡斯特勒-布罗塞尔实验室,开启自己的研究生涯。这间实验室可谓大师云集——在阿罗什之前,他的导师卡斯特勒在1966年获诺贝尔物理学奖,实验室的另一位科学家布罗塞尔则是法国量子光学学派奠基人。

这些学界领军人物,给予了年轻人充足的自由和激励,这让阿罗什感怀至今,“我非常高兴,也非常幸运能够在这样的环境中受到熏陶。”

卡斯特勒-布罗塞尔实验室成员合影,左三为卡斯特勒,左二为布罗塞尔,左四为阿罗什

令他感到幸运的另一件事,则是激光的发明。阿罗什正是从激光技术发明之后开启了物理学研究。作为操控个体量子系统的实验物理学家,激光是他职业生涯的最好帮手。“激光为基础物理学和应用物理学的进步开辟了道路,而这在20世纪60年代是难以想象的。”他说。

2012年,阿罗什和美国物理学家大卫·维因兰德因“突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能 ”获得诺贝尔物理学奖。作为腔量子电动力学的行家,阿罗什通过量子技术,运用原子和光设计了一个现实中可行的实验,成功驯服原子和光子并观察到量子叠加。

他所发明的检测方法在观察的同时不介入,这让量子物理学创始人所设想的思想实验变为现实。那只曾经困扰物理学界多年的“薛定谔的猫”似乎终于可以在现实中被“捉”住了。

创举背后的驱动力到底为何?阿罗什在现场分享了做科研的秘诀。

“如果你要成为一名科学家,首先必须要有激情和热情,要对外部世界有探索的好奇心,必须能够在某些领域做非常深入的研究,对知识的探索与渴求有非常强烈的追求。”阿罗什相信,个人的倾情投入在科学的创新探索中不可或缺。

此外,要真正为现有科学带来革新,不仅要和同时代研究者们交流合作,也要向历史上伟大的科学先驱们追问学习,“如果你要做科学,必须要和一群才华横溢的科学家团体为伍,历史上那些星光熠熠的科学家,都会成为你不断激发热情、探索全新科学前沿的动力。”

最伟大的科学成就都与“光”有关

从17世纪的伽利略到牛顿,再到19世纪与20世纪的法拉第、麦克斯韦、普朗克及爱因斯坦等一众科学家……阿罗什在PPT中分享了一张光科学史纵览图,许多耳熟能详的名字尽在其中。可以说,科学史上的众多伟大思想的诞生,无不受到光的“照射”。

“关于外部世界我们所了解的大部分知识,其实都来自于光。”阿罗什认为,科学基础研究的巨大突破离不开对光的探索,科学殿堂上最伟大的科学成就都与光相关。

光有没有速度?故事的开端,要从那个将望远镜对准星空的伽利略谈起。在伽利略所处的时代,人们都认为光是无限快的。而伽利略首次提出“光速可以被测量”,从而迈出人类探索光速的第一步。70年后,奥勒·罗默通过“木卫一蚀”现象的观测,首次证实了光速是有限的。

光到底是粒子还是波?光的波粒二象性如今广为人知,阿罗什细致梳理出其背后一众科学先驱跨越200余年的思考与讨论。17世纪,以牛顿为代表粒子说和以惠更斯为代表的波动说两派僵持不下;19世纪初,托马斯·杨用双缝实验证明衍生光波遵守叠加原理,证实了光的波动性质。

直到19世纪中叶,麦克斯韦提出光的电磁波理论,并且通过海因里希·赫兹的实验得到验证,由此统一了电、磁和光学。阿罗什称其为“一项伟大的研究”。电磁波理论对光的本质作出了新的阐释:光和磁由同一物质触发,光是一种根据电磁定律在场中传播的电磁扰动。

以20世纪初开尔文男爵的“两片乌云”理论作为引入,阿罗什进一步讲述了量子力学和相对论的诞生及其对光的研究所带来的巨大革新——普朗克的黑体辐射定律使人类更加深入地理解电磁辐射的本质,爱因斯坦光量子说则帮助奠定了量子力学的基础。

在其后众多科学家的合力下,量子物理的“潘多拉魔盒”被人们打开。光的波粒二象性成为量子理论的基石,人们对光的本质的认识达成基本共识。自此,量子理论席卷整个物理学界,人类踏入了认识光、探索光的更高阶段。

“从伽利略到量子物理,这是一条引人入胜的科学道路。”阿罗什总结道,回顾科学史可见,所有研究者都是站在巨人的肩膀上,不断修正甚至推翻原有理论,才得以实现人类认知边界的不断突破,因此,“科学研究中没有永恒的真理,只有人类对世界不断修正的结论与逐渐深入的认识”。

让基础研究与技术革新形成良性循环

如果说早期量子理论大都受益于对光的研究,那么到上世纪,量子理论则开始反哺光学,推动一系列突破性技术的发明和革新。

20世纪初,人们所作的一些如今看来天真又幼稚的“空想”,如今有许多已成为现实。现代生活中人们习以为常的电子计算机、核磁共振扫描仪、GPS等等,无一不以量子理论为基础。

在这当中,激光是20世纪中期一项划时代的成就。激光的本质是物质的聚变和蒸发、原子的冷却和捕获。激光技术的发展,使得光与介质相互作用的研究进入了一个全新阶段,光的“捕获”、“存储”、“囚禁”由不可能变为可能。“如果从地球向月球发射一束激光,再从月球反射回来,光的相位不会发生变化。”阿罗什举例阐释激光的超稳定性。

激光以其独一无二的特性,广泛应用于物理、化学和生物学的基础研究,以及计量、医学、通信等领域。例如,429太赫兹的可视量子钟,可以测量由于高度差异1mm而导致的速率变化,比GPS时间还要精确10万倍;再比如,激光干涉引力波天文台可以探测到13亿光年外两个黑洞的合并产生的引力波,”这是一个杰作,它可以探测到直径小于十亿分之一原子直径的镜子(相距4公里)的相对位移”,阿罗什评价道。

“基础科学和技术之间是共生的。”他总结道,伽利略望远镜和惠更斯摆钟的发明使得空间和时间的精确测量成为可能,在此基础上,光的特性被发现。人们对光的新认识,又不断促成更精确设备的发明,基础研究与技术革新之间形成的良性循环,帮助物理学家更高效、更精确地观察、证实或证伪。

如今,第二次量子革命已经拉开序幕,相较于第一次量子革命“只问量子理论能让我们做什么”,人类现在更多要探究“为什么”,并充分发挥主观能动性,利用叠加和纠缠等量子特性,在量子计量、量子通信、量子模拟、量子计算等领域大展身手。

未来,随着测量的手段不断进步,基础研究可以被推进到分子级、原子级,甚至更细。阿罗什期待道:“我们也可以使用这样的研究能力,去探索一些电磁科学和生物科学领域最前沿的技术。”至于量子计算机到底何时能够出现,阿罗什坦言“真的不知道”,但与“不确定性”共舞,是科学研究的特点,也是其最美妙之处。

活动尾声,阿罗什与现场听众互动交流,并送出五本自己亲笔签名的新书《光的探索:从伽利略望远镜到奇异量子世界》。

中国日报上海分社 记者 周文婷

 

【责任编辑:舒靓】
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