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2005年诺贝尔物理学奖解读(蓝才华推荐本文)

(2005-12-03 23:07:33)

量子光学之父和精密光谱学大师
——2005年诺贝尔物理学奖

  2005年10月4日,瑞典皇家科学院宣布,将2005年度诺贝尔物理学奖的一半奖金授予美国量子光学家罗伊·格劳伯,以表彰他对光学相干的量子理论做出的贡献;另一半奖金则颁发给美国量子激光学家约翰·霍尔和德国量子光学家特奥多尔·亨施,以表彰他们对基于激光的精密光谱学发展做出的贡献。

美国科学家罗伊·格劳伯  罗伊·格劳伯1925年出生于纽约,毕业于美国哈佛大学,1949年获得哈佛大学博士学位,1952年成为哈佛大学助理教授,1956年获得哈佛大学终身教授之职,现仍供职于哈佛母校。他成为第42个荣获诺贝尔奖的哈佛大学教授。
美国科学家约翰·霍尔  
  约翰·霍尔1934年出生于美国丹佛,1961年获卡内基理工学院博士学位,1964年获匹兹堡剑桥技术学院物理学博士学位,现供职于科罗拉多大学,同时兼任美国国家标准和技术研究院高级科学家。

德国科学家特奥多尔·亨施  特奥多尔·亨施1941年出生于德国海德堡,1969年获海德堡大学博士学位,目前担任德国马克斯-普朗克学会下属的量子光学研究所所长,同时担任慕尼黑路德维希-马克西米利安大学物理学教授。

光是什么?—光的量子性

  人类自诞生之日起,就对自身赖以生存的神秘的光产生了浓厚的兴趣。它的本质是什么?究竟是粒子还是波?18世纪中叶,牛顿认为,光是由很小的物质微粒组成,从发光体发出,犹如一群飞行的子弹,从而建立了光的微粒说。19世纪中叶,波更斯和菲涅尔等人通过对光的反射、折射、干涉和衍射的广泛研究,认定光是一种波。之后,麦克斯韦提出了电磁波的理论,认为光本身就是一定波长范围的电磁波。

  光就是电磁波,光的量子性,确切地讲应该是电磁场的量子性,这就是量子力学研究的范畴。

  德国人普朗克在1900年提出量子假说,并于1906年建立经典量子论的理论基础,即能量只能取某一基本量(即能量子或作用量子)的整倍数,这一作用量子也称普朗克常数(h),是微观世界的基本标志。量子论的诞生使物理学进入了一个新的时代,普朗克因此于1918年获奖。

  德裔美国人爱因斯坦1905年进一步确认和发展了普朗克“能量子”的观念,并提出了“光量子说”:光是由一个个能量单体量子组成,这种光量子除了有波的性状之外,还有粒子的发现,从而圆满地解释了光电效应。鉴于这个发现,爱因斯坦荣获了1921年诺贝尔奖。同时,他发展了量子理论,创立了相对论。量子论与相对论一起,导致了20世纪初的物理学大革命。

  丹麦人玻尔是经典量子论和现代量子论的创立者之一,1913年把量子化的概念引进原子结构理论,即把爱因斯坦和普朗克的量子论与核式原子概念结合起来,从而解释了原子发射的光谱,荣获1922年诺贝尔奖。此后,他提出电子的波动模型与它的粒子性是互补的,使量子力学的发展由经典量子论进入现代量子论的阶段。

  美国人康普顿1922年通过光与电子的散射实验,观测到了光在散射过程中显示出的粒子性,从而证明光是由具有特定频率的能量子——光子组成;1923年发现并解释了X射线与电子撞击时波长的变化,从根本上证明了光不仅是电磁波,也是具有能量动量的粒子,为量子论提供了有力的证据。这个被称为“康普顿效应”的发现获1927年诺贝尔奖。1924年玻色进一步提出,光子是质量为零、自旋量子数为1的粒子。

  20世纪初由于光的波动性和光的粒子性都是由可靠的实验所证明,使科学家们“光同时具有粒子性和波动性”的观念得以确立:光既不是像子弹一样经典理论中的质量粒子,也不是像水波一样的经典理论中的波。这就是自然界所表现出来的特征,称为光的波粒二象性。

量子光学之父

  尽管人类已经进入了量子光学和激光的时代,科学家们仍然被一些问题所困扰。例如说一个蜡烛发出的光与CD唱机中采用的激光束之间究竟有什么区别?

  早在20世纪60年代,格劳伯就认为,已发现的量子力学的理论并不是最终真理,应该更好地发展量子理论,继续探索“光,是什么?”,从而开创了建立量子光学的里程碑式的研究工作。

  1963年,格劳伯就通过自己先驱性的工作,成功地应用量子理论来解释一些光学现象,诺贝尔物理学奖评委会赞言道,格劳伯是能够回答蜡烛和激光到底有什么本质区别的人。期年,他在《物理评论通信》上发表了研究论文,此后又在《物理评论》等杂志上发表了几篇相关论文,创造性的提出了“相干性量子理论”,成功的描述了光粒子的运行原理,展示了光粒子的特性在一定条件下是如何影响它的运行方式。尽管这些条件在自然状态下很难观察到,但是它经常与精密光学仪器密切相关。格劳伯指明,量子物理学观察到的激光与自然光相比,具有方向性、单色性和相干性好而亮度极强等特点。激光的这些特点正是有别于自然光之处,利用相干性的不同,可以有效地与自然光相区别,科学家也正是利用上述这些激光的优点把它广泛地应用于自然科学的各个领域,为人类造福。格劳伯的这些论文,奠定了量子光学学科的理论基础。

自然光与量子物理学观察到的光之间的区别。通过两个裂缝看到的光呈电磁波运动a)和一组粒子b)。注意:这时候,相同的干扰方式出现了,正如图a)中两组波互相作用的方式,或者图b)中单个粒子分配的方式
一致性a)与非一致性发射b)的区别。在一致性光中,光线的相位是一致的。


  20世纪60年代开始,激光技术有了很大的发展,但是如何解释一些新的现象,如何对光本身的一些特性进行描述还缺少理论基础。格劳伯提出的“相干性量子理论”解决了这些问题,并为现代光学的发展奠定了基础。格劳伯的成就奠定了他在量子光学领域中的领军地位,他被誉为量子光学之父。

  由于格劳伯等量子力学先驱者的贡献,量子光学终于在20世纪60年代诞生了。

  格劳伯1963年就提出了“相干性量子理论”,不仅解决了现代光学的一些基础性问题,而且奠定了量子光学的基础,开创了一门全新的物理学学科——量子光学。然而经过了42年的考验,80岁高龄才获得诺贝尔物理学奖。他的5篇代表性论文没有一篇发表在《科学》或《自然》杂志上。但是他的成就为世人所瞩目。他获得诺贝尔奖,是学术界许多人都期待已久的事情。在哈佛大学召开的新闻发布会上,哈佛大学物理系主任认为,格劳伯的获奖是一个迟到的奖励。

  格劳伯勤奋努力,非常热爱自己的教学和科研工作,在开完庆祝他获奖的大会之后,他立刻出席由9位大学新生参加的研讨会,他向与会者讲述了原子弹项目的背景和历史。格劳伯的工作不仅奠定了量子光学的基础,而且一旦发挥作用,意义就非常重大,比如用于研制量子计算机和开发更加安全的量子密码通信技术。

精密光谱学大师

  激光是光学和量子理论、无线电子学、微波波谱学、固体物理学等相结合的产物。激光具有广泛的用途,如用于特种加工、精密检测、探测导航、医疗、制药、育种、通信等领域,并且是一种常用的科研技术手段,前景广阔。诺贝尔物理学奖对这个“迟到而实用”的新兴物理学科4次对9人颁发,全部是在20世纪60年代以后。

  1913年玻尔(1922年诺贝尔物理学奖获得者)提出电子跃迁理论,1917年爱因斯坦(1921年诺贝尔物理学奖获得者)提出受激辐射理论,成为激光理论的基础。由这两位科学家的指引,使在20世纪激光进入了人类的生活。

  2005年获奖者霍尔和亨施对精密光谱学的创造性研究成果,主要是结合了原子物理和量子光学,在精确测量方面做出了杰出贡献。世界科学巨匠爱因斯坦早在1917年就指出,原子可存在不同的能级状态,处于高能级的原子被能量合适的光子击中时,原子就跃迁到低能级,同时放出一个无论是能量和运动方向都与入射光完全相同的新光子。这样,原来只有一个光子,现在变成了两个;这两个光子又击中两个氢原子,从而放出另外两个光子;所有四个光子又会使氢原子放出四个新光子,如此继续不断地打下去,最后就会有一大批光子像雪崩一样被释放出来,并且所有光子的能量和运动方向都是一模一样的。由于氢原子产生跃迁的光子是人为产生的,具有非常确定的能量,另外,能量与频率有关,因此,产生这类光子的谐振器,就可以作为时间的基准。用激光研究荣获诺贝尔奖的大师都是依据着爱因斯坦上述基本理论而获得成功的。

  霍尔和亨施还创造性地吸纳了2001年诺贝尔奖获得者、美国凝聚态物理学家克特勒、康奈尔和韦曼的研究成果。长期以来,人们一直希望让物质处在一种可控制的状态下,就像激光一样。早在1924年,印度物理学家玻色就对光粒子进行了理论计算,然后把结果寄给爱因斯坦。爱因斯坦将他的结论加以推广并应用于特定原子的研究领域,从而发现了“玻色-爱因斯坦凝聚”这种物质形态,创建了凝聚态物理学科,2001年奖获得者发现,玻色-爱因斯坦凝聚是一种相变,将相当数量的粒子处于同一量子态,这个特点有点像使光子处于同一能态的激光,因此被称为“原子激光”。

  在格劳伯的理论提出20年之后,以原子物理和量子光学为基础霍尔和汉斯在高精度的测量技术方面做出了杰出贡献。

  原子钟是当前相当精密的时间测量仪器,它对时间精确测量主要依靠原子跃迁的频率测量的精确度,原子处于热运动状态下,测量就不可能太精确。利用激光冷却技术使原子冷却,也就是降低它的热运动速度就有可能得到精确的测量结果。
光梳

  对时间的精确测量主要依靠原子跃迁的频率,但在原子运动的状态下,测量不精确。然而利用激光技术将原子冷却后使之速度降低,就可以做出精确测量。霍尔和汉斯的主要工作是在精确测量技术上取得了较好的成果。他们成功地应用了一种叫做光梳(也叫频率梳)的技术。
  
  所谓“光梳”技术就是研制出一种新的装置,使之能产生一系列频率均匀分布的频谱,即它所产生的频谱像有均匀间隔的梳子一样,人称“频率梳”。这种“频率梳”就像一把带有刻度的光学梳子,专门用来梳理光波的频率,也就是说用来测量光波未知频谱的具体频率。

频率梳技术原理。图表上半部分显示了激光的正极是如何产生的。左下图显示了几个正极工作时的相互依赖性(在这一阶段,每个正极只包含极少的振动)和不同频率间的分配模式。光谱分配由一个梳型频率组成,彼此的界限是非常明确的。但是,光谱的零点是未知的,以f0代替。利用非线性光学技术,光谱的频率能够增加一倍(如右下图所示)。这时,光谱的最低频率大致相当于增加前的最高频率,用F0代表的光谱零点也可以得到确定。


  频率测量的精确性很大程度上取决于时间测量的精确性。美国国家标准技术研究院和科罗拉多大学“联合研究所”的科学家开发的世界上迄今为止最精密的时钟,精确度可达几个毫沙秒。1毫沙秒等于1000万亿分之一秒。因此,这种“频率梳”的“梳齿”间的“齿距”在毫沙秒级。这种“频率梳”被称为“毫沙秒梳”。这样精密的时间间隔是由激光脉冲产生的。这种世界上迄今为止最精密的时钟将比当今微波原子钟要精密100倍。

  20世纪70年代汉斯首先提出了采用短脉冲激光作为测量光频率尺度的光梳技术。霍尔第一次看见汉斯的论文时,他认为这个主意“不是天才的预言,就是绝对的荒谬”。但是渐渐地霍尔认为这是一个极好的想法。

  光梳技术的实现需要用一台激光器发射出波长稳定的短波光脉冲。霍尔和汉斯在合作与竞争中逐步把工作推向前进。大约在5年前霍尔和他的同事在美国国家标准技术研究院和科罗拉多大学“联合研究所”实验室解决了实现光梳技术的最后一个难题。由于获奖者对光梳技术进行了有效地改进,在20世纪末期,光梳的精确度已经可以达到小数点后15位。

  这三位获奖者的研究成果尽管生涩难懂,但却早已经在诸多领域获得了广泛应用,在一些方面已惠及普通人,与我们的生活息息相关。光梳技术的研究成果可以广泛用于化学、物理和天文领域中的超精密测量,制作更为精密的原子钟,改进现有的全球GPS卫星导航定位系统,提高太空望远镜的观察精确度,也可以用于制作三维激光全息电影。还可能用于研究物质和反物质的关系,以及用于检测某些自然界常数可能产生的变化。

  三位获奖者的发现,为人类光学领域做出了巨大贡献。格劳伯奠定了量子光学的理论基础,使得人们可以描述光中微粒子的运动;而霍尔和亨施对精密光谱学的研究,使人们可以精确地测得原子和分子的光学颜色,还可以把光频率测量精确到小数点后15位数。据此,人们可以制造极其锋利的激光仪,而通过梳状滤波技术,所有颜色的光谱都可以被测量。诺贝尔委员会恰如其分地赞扬道:他们凭借自己的成果为现代光学展现了新曙光。

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