陳冰

近日，塞爾日·阿羅什現(xiàn)身第四期“浦江科學(xué)大師講壇”，以“光的科學(xué)： 從伽利略到量子物理”為題，向聽眾講述了幾百年的漫長歲月里，人們研究光、認識光、用光探索世界的動人故事。攝影/成釗

對原始人來說，光意味著白晝、意味著方向，對現(xiàn)代人來說，光是每天工作生活必不可少的元素?？梢哉f，光伴隨了人類進化和文明發(fā)展的每個階段。作為物理學(xué)中古老的學(xué)科，光學(xué)又是當(dāng)前科學(xué)研究中最活躍的學(xué)科之一，推動著人類對自然的認知不斷深化和人類社會的進步。

對于法蘭西公學(xué)院名譽教授、2012年諾貝爾物理學(xué)獎得主塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）而言，光有著極為豐富的內(nèi)涵。從立志成為天文學(xué)家，到傾盡一生探索光的科學(xué)，終將“薛定諤的貓”思想實驗變?yōu)楝F(xiàn)實。2012年，因為研究能夠量度和操控個體量子系統(tǒng)的突破性實驗方法，阿羅什與美國物理學(xué)家戴維·瓦恩蘭（David Wineland）共同榮獲諾貝爾物理學(xué)獎。

近日，塞爾日·阿羅什現(xiàn)身第四期“浦江科學(xué)大師講壇”，以“光的科學(xué)： 從伽利略到量子物理”為題，向聽眾講述了幾百年的漫長歲月里，人們研究光、認識光、用光探索世界的動人故事。作為一位對于光充滿著熱情的研究者，有關(guān)光的科學(xué)故事激發(fā)了他對世界的好奇，作為操控個體量子系統(tǒng)的實驗物理學(xué)家，激光是他職業(yè)生涯的最好幫手。

演講結(jié)束后，《新民周刊》記者又與阿羅什聊了聊物理學(xué)家眼中的光，他們看待光，會不會與普通人有所不同呢？

“我從年輕的時候，就為光的科學(xué)所折服和著迷?！倍て鹦⌒∩倌晷闹袩o限好奇的第一束光，來自于那個將望遠鏡對準(zhǔn)星空的伽利略。

光有沒有速度呢？這個問題現(xiàn)在看來毋庸置疑，但在伽利略的時代，卻是未知之?dāng)?shù)。人們普遍認為光是無限快的。伽利略抱著對這個問題的好奇，進行過一些嘗試，雖然嘗試以失敗告終，但是開啟了測量光速的大幕。同時，他對木星衛(wèi)星的觀測，也為后來測量光速的科學(xué)家提供了一臺“天然的時鐘”。伽利略首次提出“光速可以被測量”，從而邁出人類探索光速的第一步。70年后，奧勒·羅默通過“木衛(wèi)一蝕”現(xiàn)象的觀測，首次證實了光速是有限的。

阿羅什說，在職業(yè)生涯中，對其影響最大的科學(xué)家是伽利略和愛因斯坦。攝影/張懷藝

光是有速度的，那么，光到底是粒子還是波？

這個爭論不休、曠日持久的問題，從17世紀(jì)開始，貫穿兩個世紀(jì)，幾乎與所有我們現(xiàn)在耳熟能詳?shù)奈锢韺W(xué)大師有所關(guān)聯(lián)。在這個不斷驗證、不斷反駁的過程中，人們對光的認識逐漸清晰，光的百變面貌在惠更斯、牛頓、托馬斯·楊、菲涅爾、麥克斯韋、赫茲、愛因斯坦等科學(xué)家共同的探索和爭論中漸漸明朗，人們對世界的認識也隨之從牛頓時代進入量子時代。

17世紀(jì)，以牛頓為代表的粒子說和以惠更斯為代表的波動說兩派僵持不下；19世紀(jì)初，托馬斯·楊用雙縫實驗證明衍生光波遵守疊加原理，證實了光的波動性質(zhì)。直到19世紀(jì)中葉，麥克斯韋提出光的電磁波理論，并且通過海因里?！ず掌澋膶嶒灥玫津炞C，由此統(tǒng)一了電、磁和光學(xué)。電磁波理論對光的本質(zhì)作出了新的闡釋：光和磁由同一物質(zhì)觸發(fā)，光是一種根據(jù)電磁定律在場中傳播的電磁擾動。

20世紀(jì)初，開爾文男爵的“兩片烏云”理論顯現(xiàn)，人類進入相對論和量子時代。普朗克的黑體輻射定律使人類更加深入地理解電磁輻射的本質(zhì)，愛因斯坦光量子說則幫助奠定了量子力學(xué)的基礎(chǔ)。量子力學(xué)和相對論的誕生及其對光的研究所帶來的巨大革新——在其后眾多科學(xué)家的合力下，量子物理的“潘多拉魔盒”被人們打開。光的波粒二象性成為量子理論的基石，人們對光的本質(zhì)的認識達成基本共識。自此，量子理論席卷整個物理學(xué)界，人類踏入了認識光、探索光的更高階段。

阿羅什指出，科學(xué)基礎(chǔ)研究的巨大突破離不開對光的探索，科學(xué)殿堂上最偉大的科學(xué)成就都與光相關(guān)。光的研究從最早的望遠鏡、棱鏡到后來的各種波段的光源得以發(fā)明和使用、直至激光的誕生和發(fā)展，這些儀器的發(fā)明讓我們可以實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的觀測，不僅讓我們得以更好地了解光的不同方面，也推動了物理學(xué)其它方面的研究，“這是一段漫長而迷人的歷史”。

“從伽利略到量子物理，這是一條引人入勝的科學(xué)道路?！卑⒘_什說，“關(guān)于外部世界我們所了解的大部分知識，其實都來自于光。光的粒子性和波動性雖然在量子理論里彌合，但是，電子、原子和光子一樣，展現(xiàn)出的糾纏和疊加等特性，更加令人迷惑。相比經(jīng)典物理，量子的世界顯得更加微妙?！?/p>

回顧科學(xué)史可見，所有研究者都是站在巨人的肩膀上，不斷修正甚至推翻原有理論，才得以實現(xiàn)人類認知邊界的不斷突破，因此，“科學(xué)研究中沒有永恒的真理，只有人類對世界不斷修正的結(jié)論與逐漸深入的認識”。

如果說早期量子理論大都受益于對光的研究，那么到上世紀(jì)，量子理論則開始反哺光學(xué)，推動一系列突破性技術(shù)的發(fā)明和革新。

20世紀(jì)初，人們所作的一些如今看來天真又幼稚的“空想”，如今有許多已成為現(xiàn)實。從最早的晶體管，到后來的激光，都已經(jīng)得到了廣泛而實際的應(yīng)用?，F(xiàn)代生活中人們習(xí)以為常的電子計算機、核磁共振掃描儀、GPS里用到的原子鐘等等，無一不以量子理論為基礎(chǔ)。

而這在1900年量子論誕生的時候，完全無法預(yù)料。

所有這些發(fā)明當(dāng)中，尤以激光最為特別。激光的本質(zhì)是物質(zhì)的聚變和蒸發(fā)、原子的冷卻和捕獲。激光技術(shù)的發(fā)展，使得光與介質(zhì)相互作用的研究進入了一個全新階段，光的“捕獲”“存儲”“囚禁”由不可能變?yōu)榭赡?。“如果從地球向月球發(fā)射一束激光，再從月球反射回來，光的相位不會發(fā)生變化。”阿羅什舉例闡釋激光的超穩(wěn)定性。

激光以其單色性、準(zhǔn)直性、高功率、穩(wěn)定性等獨一無二的特性，廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)和生物學(xué)的基礎(chǔ)研究，以及計量、醫(yī)學(xué)、通信等領(lǐng)域，成為很多領(lǐng)域科學(xué)家探索世界的工具。

如今，第二次量子革命已經(jīng)拉開序幕，相較于第一次量子革命“只問量子理論能讓我們做什么”，人類現(xiàn)在更多要探究“為什么”，并充分發(fā)揮主觀能動性，利用疊加和糾纏等量子特性，在量子計量、量子通信、量子模擬、量子計算等領(lǐng)域大展身手。

作為20世紀(jì)中期一項劃時代的成就，1960年激光的發(fā)明和在這以后激光技術(shù)的發(fā)展，讓科學(xué)家可以通過改變激光的頻率，控制激光束的延續(xù)時間并使激光束聚焦到一個原子大小的范圍。從這以后，實驗技術(shù)和實驗方法有了極大的發(fā)展，利用激光可以使原子或離子冷卻到接近絕對零度，就是使它們的運動速度減到非常小，直至幾乎停止。

著名的玻色愛因斯坦凝聚，就是借助激光，才得以在實驗室中產(chǎn)生。借助激光，科學(xué)家讓時間的度量越來越精確，讓引力波的探測成為現(xiàn)實，還可以囚禁原子，探索量子計算的無限可能。例如，429太赫茲的可視量子鐘，可以測量由于高度差異1mm而導(dǎo)致的速率變化，比GPS時間還要精確10萬倍；再比如，激光干涉引力波天文臺可以探測到13億光年外兩個黑洞的合并產(chǎn)生的引力波。”這是一個杰作，它可以探測到直徑小于十億分之一原子直徑的鏡子（相距4公里）的相對位移?！卑⒘_什評價道。

作為單量子系統(tǒng)操縱和腔量子電動力學(xué)方面的行家，阿羅什對激光和光子始終保有特殊的感情。利用激光束和超導(dǎo)材料鈮，阿羅什對一個微波光子的囚禁時間達到1/10秒，利用一系列里德伯原子作為探測器，穿過腔體、和腔場進行耦合，阿羅什實現(xiàn)了非破壞性測量單個光子，即帶走被捕獲光子的信息，但是又不吸收光子。在和光的合作中，阿羅什做到了半個多世紀(jì)前薛定諤認為不可能實現(xiàn)的事情——在實驗室中造出“薛定諤的貓”。

“基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)之間是共生的?！彼偨Y(jié)道，伽利略望遠鏡和惠更斯擺鐘的發(fā)明使得空間和時間的精確測量成為可能，在此基礎(chǔ)上，光的特性被發(fā)現(xiàn)。人們對光的新認識，又不斷促成更精確設(shè)備的發(fā)明，基礎(chǔ)研究與技術(shù)革新之間形成的良性循環(huán)，幫助物理學(xué)家更高效、更精確地觀察、證實或證偽。

如今，第二次量子革命已經(jīng)拉開序幕，相較于第一次量子革命“只問量子理論能讓我們做什么”，人類現(xiàn)在更多要探究“為什么”，并充分發(fā)揮主觀能動性，利用疊加和糾纏等量子特性，在量子計量、量子通信、量子模擬、量子計算等領(lǐng)域大展身手。

未來，隨著測量的手段不斷進步，基礎(chǔ)研究可以被推進到分子級、原子級，甚至更細。阿羅什期待道：“我們也可以使用這樣的研究能力，去探索一些電磁科學(xué)和生物科學(xué)領(lǐng)域最前沿的技術(shù)?！敝劣诹孔佑嬎銠C到底何時能夠出現(xiàn)，阿羅什坦言“真的不知道”，但與“不確定性”共舞，是科學(xué)研究的特點，也是其最美妙之處。

1966年，20歲的他進入巴黎高等師范學(xué)院的卡斯特勒-布羅塞爾實驗室，開啟自己的研究生涯。這間實驗室可謂大師云集——在阿羅什之前，他的導(dǎo)師卡斯特勒在1966年獲諾貝爾物理學(xué)獎，實驗室的另一位科學(xué)家布羅塞爾則是法國量子光學(xué)學(xué)派奠基人。

這些學(xué)界領(lǐng)軍人物，給予了年輕人充足的自由和激勵，這讓阿羅什感懷至今，“我非常高興，也非常幸運能夠在這樣的環(huán)境中受到熏陶”。

令他感到幸運的另一件事，則是激光的發(fā)明。阿羅什正是從激光技術(shù)發(fā)明之后開啟了物理學(xué)研究。作為操控個體量子系統(tǒng)的實驗物理學(xué)家，“激光為基礎(chǔ)物理學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)的進步開辟了道路，而這在20世紀(jì)60年代是難以想象的”。他說。

塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）

法國物理學(xué)家，1944年9月出生于摩洛哥。法蘭西公學(xué)院名譽教授、法國科學(xué)院院士、歐洲科學(xué)院院士、美國國家科學(xué)院外籍院士、美國人文與科學(xué)院外籍院士、巴西科學(xué)院外籍院士。研究方向為量子光學(xué)和量子信息學(xué)，對量子光學(xué)中的量子電動力學(xué)研究做出過重要貢獻，在實驗量子力學(xué)領(lǐng)域享有盛名，被業(yè)內(nèi)譽為腔量子電動力學(xué)的實驗奠基人。

2012年，阿羅什和美國物理學(xué)家大衛(wèi)·維因蘭德因“突破性的試驗方法使得測量和操縱單個量子系統(tǒng)成為可能 ”獲得諾貝爾物理學(xué)獎。作為腔量子電動力學(xué)的行家，阿羅什通過量子技術(shù)，運用原子和光設(shè)計了一個現(xiàn)實中可行的實驗，成功馴服原子和光子并觀察到量子疊加。

他所發(fā)明的檢測方法在觀察的同時不介入，這讓量子物理學(xué)創(chuàng)始人所設(shè)想的思想實驗變?yōu)楝F(xiàn)實。那只曾經(jīng)困擾物理學(xué)界多年的“薛定諤的貓”似乎終于可以在現(xiàn)實中被“捉”住了。

創(chuàng)舉背后的驅(qū)動力到底為何？阿羅什在現(xiàn)場分享了做科研的秘訣。

“如果你要成為一名科學(xué)家，首先必須要有激情和熱情，要對外部世界有探索的好奇心，必須能夠在某些領(lǐng)域做非常深入的研究，對知識的探索與渴求有非常強烈的追求?！卑⒘_什相信，個人的傾情投入在科學(xué)的創(chuàng)新探索中不可或缺。

此外，要真正為現(xiàn)有科學(xué)帶來革新，不僅要和同時代研究者們交流合作，也要向歷史上偉大的科學(xué)先驅(qū)們追問學(xué)習(xí)，“如果你要做科學(xué)，必須要和一群才華橫溢的科學(xué)家團體為伍，歷史上那些星光熠熠的科學(xué)家，都會成為你不斷激發(fā)熱情、探索全新科學(xué)前沿的動力”。

“熱情、求知、直覺、機遇。”阿羅什總結(jié)出自己做科研的四個關(guān)鍵詞。放在歷史的長河里來看，對于目光如炬的科學(xué)家來說，也不可能永遠做出準(zhǔn)確的判斷。科學(xué)會出乎所有人的意料，上世紀(jì)60年代，阿羅什就認為激光一定會成為一種新的工具。但是今天，激光能做的事，遠遠超出了他當(dāng)時的想象。

“這就是科學(xué)的魅力——我所從事的科學(xué)研究一方面來自于過去，另一方面，它也能夠延伸到未來，歷史給予我們很多機會，和很多的偉大科學(xué)家進行思維的碰撞，我們都因為光而著迷，科學(xué)事業(yè)是跨時間的。同時，我們對于科學(xué)的興趣和努力，我們的好奇心、熱情、知識，我們對于真理的探索，都可以與世界各地的科學(xué)家來進行分享。我深深感受到我們是整個社群的一部分，所以科學(xué)也是跨越空間的?！?/p>

阿羅什告訴記者，在職業(yè)生涯中，對其影響最大的科學(xué)家是伽利略和愛因斯坦。正如他在自己的新書《光的探索：從伽利略望遠鏡到奇異量子世界》（中文版）中所表達的那樣，他們一個第一次用望遠鏡仰觀蒼穹，另一個基于諸多有關(guān)光的研究發(fā)現(xiàn)了相對論，幫助人們重新認識物質(zhì)和時空的關(guān)系。而二者之間的漫長歷史，就是人們深刻認識世界的迷人歷史?！斑@些科學(xué)家和同時期的藝術(shù)家們一樣，在歷史上扮演了非常重要的角色?？萍几锩c文藝革命相伴而生，共同進步，人們才找到了一些新的方式來看待這個世界?！?/p>