走近诺贝尔奖（十二）,设个陷阱捉粒子

对于单个粒子来说，经典物理学定律已不再适用，量子物理学开始“接手”。但从环境中分离出单个粒子并非易事，而且一旦粒子融入外在世界，其神秘的量子性质便会消失。两名“粒子猎人”一起获得了2012年诺贝尔物理学奖，他们分别是法国物理学家赛日尔·阿罗什和美国物理学家戴维·瓦恩兰。两位科学家证明，他们能够直接观测单个的量子粒子而又不破坏它们，从而开创了量子物理实验的一个全新纪元。

难以观测的粒子

两千多年前，古希腊哲学家德谟克利特就认为，物质是由原子组成的。“原子”一词的英文就来自希腊文，含义为“不可分割的”。

但是，直到18世纪才开始有现代意义上的原子理论，而原子的真正奥秘则直到20世纪才开始被揭示。这究竟是为什么呢？因为原子实在太小了，看不见、摸不着。如今我们知道，原子并非是“不可分割的”，它是由更小的粒子所组成的。

所谓粒子，是指构成物质的比原子核更简单的物质，包括电子、质子、中子、光子、介子和超子等。科学家最早发现的粒子是电子和质子，1932年又发现了中子，确认原子由电子、质子和中子组成。以后发现的粒子越来越多，累计已超过几百种，且还有不断增多的趋势。

后来，科学家还发现，微观世界的粒子所遵循的物理规律和宏观世界有所差异。宏观世界的能量是连续的，而微观世界的能量是按照最小的单元跳跃式增长。这种能量的最小单元称为量子。在此基础上建立起来的物理学称为量子物理学，原子、电子、光子等粒子的活动则遵循量子物理学的相关定律。

有意思的是，量子物理学虽然表述的是微观粒子的活动规律，却是在宏观观测的基础上建立起来的。也就是说，物理学家观测粒子的宏观活动，然后推测出这些粒子的微观量子特征。

我们知道，在传统物理学领域，我们要了解某个物体的特征，可以直接观测单个的物体。比如，我们要总结滚动摩擦的特性，可以用一辆带轮子的小车来做实验。那么，为什么量子物理学家不直接观测单个粒子呢？这是因为单个粒子实在太小，且太活泼了，要找到单个的粒子就已经很不容易了，即使找到它们，它们也不会按照某种规律停留在某个地方或某个轨迹上。

捕捉光子的陷阱

由于粒子太小太活泼，于是科学家自然就想到设置个“陷阱”去困住这些粒子。这个思路听起来很简单，似乎常人都能想到。但是，设置这个陷阱却是个高难度的事情，一度被科学界认为是不可能的事情。法国物理学家赛日尔·阿罗什却率先完成了这个似乎不可能的任务。

从1990年开始，阿罗什就在设法完成这个任务。最终，他在接近绝对零度（零下273摄氏度）的温度条件下，用两个高性能超导体充当的反光镜组成了一个光学陷阱。这种陷阱的科学术语为“高反射光学微腔”，或“光子阱”。

接下来，阿罗什成功地把一些光子引入到光子阱中。这些光子被困在反光镜陷阱中的时间仅仅为0.1秒。这个时间对我们普通人来说实在太短了，也不过一眨眼的时间。但是，对于量子物理学家来说，这个时间已经足够长了。

在这短短0.1秒的时间内，光子不断反弹的总移动距离居然高达3万千米，足以做很多测量和操控动作。阿罗什就是抓住了这个转瞬即逝的机会，将一个极为活跃的“里德博原子”送入“陷阱”中作为探针。这个原子在捕获光子后，将单个光子的量子信息呈现出来，就如同X光描绘出人体的内部构造一样。

阿罗什早在20年前就设置出光子阱，而且他一直坚持从事这个领域的研究，并不断获得新的突破。2011年，阿罗什在光子阱实验中引入反馈机制。当发现光子阱中的光子数变少时，他就注入新光子，令光子阱中保持固定数目的光子。采用这样的方法，就好像把一些光子永久地困在了光子阱中，这超越了爱因斯坦的希望——将光子困住几秒。

阿罗什花了很大的力气来建立光子阱，但是他曾经也不太清楚他的研究成果究竟会有什么实际应用。他说：“如果你像我们一样研究单个的粒子，那么你将可以以一种奇妙的方式来揭示量子力学，并且你也可以研究所有的量子过程。”也许，好奇心才是驱动他一生进行这项研究的动力，而研究工作本身就是对他最好的报答。

阿罗什在接到获奖的电话通知时正与妻子一起回家，他说：“我很幸运，我在街上走着，正好经过一个长椅，所以我就马上坐下来……当我看到是瑞典的号码时，我就知道好事来了，你知道那种感觉势不可挡。”

捕捉离子的陷阱

在阿罗什的实验中，光子是被囚禁的粒子，而原子是探针。而美国科学家戴维·瓦恩兰设计的实验正好与之相反，他把离子（即带电的原子）囚禁起来，用光子作为探针去探测和操控它。

1975年，瓦恩兰被聘为美国国家标准技术研究所物理研究员。在那里，他成为离子储存团队的负责人。应用激光冷却离子技术，这个团队制造出了至2012年为止最准确的原子钟。正是在研制原子钟的过程中，瓦恩兰设计了捕捉离子的陷阱。阿罗什是用光学陷阱来囚禁光子，瓦恩兰则用电磁场作为陷阱来囚禁离子，这个陷阱的科学术语因此称为“离子阱”。为了确保被囚禁的是单个离子，需要这个实验在超高真空和超低温的条件下进行。要实现这些条件又是十分高难度的事情。最终，瓦恩兰完成了对单个离子的囚禁，测得了单离子的量子信息。

目前，许多研究人员都已经能在实验室中实现对单个粒子的囚禁，并在单粒子量子系统研究中取得了不少成果。但是，阿罗什和瓦恩兰是这个领域的开拓者，因此2012年的诺贝尔物理学奖颁发给了他们。

粒子陷阱的用途

目前，离子阱和光子阱已被广泛地应用于科学和技术研究的各个领域。尤其是近几十年来，人们以离子阱为工具，把激光冷却技术应用于离子阱，为精密测量、制造新材料、观察新现象、获得新知识提供了广泛的实验基础。

离子阱的研究还可以用来建造超高精度的原子钟。在这种新型的原子钟里，科学家用囚禁起来的离子取代了传统原子钟所采用的铯原子。目前，这种新型时钟已经达到了比传统铯原子钟高两个数量级的精度。在那样的精度下，哪怕从宇宙大爆炸之初开始计时，迄今的累计误差也只有区区几秒。

建造出这种人类历史上最精确的时钟，到底有什么实际意义呢？意义可是相当重大：人类可以更精确地测量各种宇宙常数，同时，也可以进一步验证广义相对论的各种预测。根据广义相对论，在引力场强度更高的地方或是在速度更快的状态下，时间的流逝将会变慢，这种微观效应很难在实际生活中观察到。而通过世界上最精确的原子钟，一个人即使是高度变化30米，或是以10米/秒的速度进行运动，时间对于他流逝的速度变化都可以测量出来——这将是验证广义相对论对于时空特性的描述的绝佳工具。

和实现精密的测量、制造更精确的原子钟相比，诺贝尔评奖委员会认可阿罗什和瓦恩兰的原因是他们开启了量子计算机时代的大门。两位获奖者的突破性实验方法使得整个研究领域向研制新型超快量子计算机又跨了一大步。由于量子计算机在理论上要比现有的计算机快成千上万倍，人们十分期盼它能尽快变为现实。

目前，量子计算机（在理论上将比现在的计算机快成千上万倍）是各国科学家竭力攀登的高峰。但这不仅涉及技术问题，也涉及许多基础物理问题。量子计算机需要克服的最大障碍是让处于宏观世界的我们如何去操控微观世界的粒子，最理想的情况是能够操控单个量子。量子计算机研究面临的难题之一就是如何操控单粒子的量子状态，而两位获奖科学家的研究让量子计算机的理论基础变得扎实起来。目前，科学家最乐观的预测是10年后能够出现最简单的量子计算机。

美国物理学会主席罗伯特·拜尔评价说：“阿罗什和瓦恩兰都通过优美的实验手段使21世纪有望成为量子世纪。”可能到21世纪中叶，量子计算机就会彻底改变我们的日常生活，其影响跟传统计算机在20世纪所做的不相上下。虽然量子计算机离实用还比较遥远，但是那一天一旦来到，新的技术革命也将随之出现。而这两块诺贝尔物理学奖奖牌，就像是纪念人类探索量子世界的里程碑。

2012年诺贝尔物理学奖获得者简介

赛日尔·阿罗什，1944年生于摩洛哥的卡萨布兰卡，现为法国籍。1967年于巴黎高等师范学院获得学士学位，1971年在巴黎第六大学获得博士学位。曾任职于法国国家科研中心、法国综合理工大学、巴黎高等师范学院，现为法兰西大学教授、量子物理学会主席教授，欧洲物理学会和美国物理学会会员。

戴维·瓦恩兰，1944年生于美国密尔沃基，美国物理学会、美国光学学会的会员，美国国家科学院院士。1965年于加州大学伯克利分校获得学士学位，1970年在哈佛大学获得博士学位，现任职于美国国家标准与技术研究所和科罗拉多大学博尔德分校。