——解读2012年诺贝尔物理学奖

塞尔日·阿罗什

:戴维·瓦恩兰

如果你是“科技文青”，看过美剧《生活大爆炸》，那很可能听说过一个词：薛定谔的猫。那是一只被关在黑箱子里的猫，它的生死取决于箱子里一个独立原子的状态；如果原子衰变，会引发箱内毒气泄露，猫死；反之，猫活。

    奥地利物理学家薛定谔在上世纪构想的这个思想实验，被后人引为解释量子世界的经典。量子理论认为，单个原子的状态其实并非“非此即彼”，或者说，箱子里的原子既衰变又没有衰变，表现为一种概率；对应到猫，则是“既死又活”。

　　和其他现代物理理论一样，这说法与日常经验相去甚远，让人摸不着头脑。

　　昨天，诺贝尔奖评审委员会宣布，今年的物理学奖由法国人塞尔日·阿罗什和美国人戴维·瓦恩兰分享。两位同为68岁的科学家的成就，将能给世界带来超快的量子计算机和超准的光钟；同时，也许终于可以告诉人们：薛定谔的那只猫究竟是死是活。

开启实验量子物理时代

　　英国理论物理学家霍金很干脆：往箱子里开一枪，管它猫死猫活。但这只是个玩笑。其实，猫的问题最让人头大的是你没法打开箱子看。

　　量子力学框架下的世界既神奇又脆弱。神秘之处在于，微观粒子通常表现为两种截然不同的状态的纠结。日常经验中所谓的“确定性”，其实是亿万个微观粒子、无数种概率的宏观统计结果。但这种“既黑又白”的量子状态又非常脆弱，一旦用宏观方法观察，比如打开装猫的箱子，哪怕只是掀开一角，神奇的叠加态就会立即被干扰、破坏——物理术语叫“塌缩”。换句话说，打开箱子那一刻，猫的生死突然由量子的叠加状态，变成宏观的确定状态。

　　除了不能被百姓理解，量子学家的苦恼更在于，因为找不到一个既不破坏量子状态、又能实际观测它的实验方法，长期以来他们只能在头脑中推演结论，种种精妙的预言无法得到验证。

　　昨天获奖的阿罗什和瓦恩兰，借助两个极为精巧的工具，在单个量子的观测和操控方面实现了突破。诺贝尔奖评审委员会用“开创性”描述他们的工作，认为他们为实验量子物理时代打开了大门。

两个史无前例的实验

　　华东师范大学物理系主任、国家重大科学研究计划——量子调控项目首席科学家张卫平教授用尽可能通俗的方式，向记者解释了两位新晋诺奖得主的实验。

　　光子和原子是量子世界中的两种基本粒子。光子形成可见光或其他电磁波，原子构成物质。用实验研究量子，首先要捕获单个的量子。

　　两人的方法殊途同归，一位用离子调控光子，另一位相反，用光子调控离子（带电原子）。

　　阿罗什将两面极为精巧的镜子平行放置，镜子之间是真空的空腔，温度接近绝对零度（约零下273℃）。一个光子进入空腔后，在两个镜面间不断反射。阿罗什实验中，光子在空腔中来回运动了0.1秒——对量子研究而言，这已足够漫长。实际上被捕获的光子在空腔中跑了4万公里，相当于绕地球一周。

　　瓦恩兰捕获离子的方法，是用一系列电极营造出一个电场囚笼，离子如被装进碗里的玻璃球；而后，用激光将离子冷却，最终，最冷的一个离子安静地待在碗底。

　　张卫平说，阿罗什的高明之处在于，他在捕获单个光子后，引入了一种特殊的原子——里德伯原子，作为观测工具。里德伯原子的电子能量极大，运行轨道离原子核极远，因而比通常的原子大1000倍。它进入双镜空腔后，有更大概率与被捕获的光子“碰撞”、耦合。之后，只要观测里德伯原子，就能得到光子的数据。至于瓦恩兰，他向“电场碗”发射激光，通过观测光谱线，便能得到碗底那颗冷离子的数据。

　　这两个实验都史无前例地在不破坏量子特性的前提下，实现了对单个光子和离子的观测和操控。张卫平说，这两位科学家10年前就已是竞逐诺奖的热门人选，现在终于实至名归。

量子计算机和光钟

　　身为国内量子调控领域的顶尖专家，张卫平与阿罗什、瓦恩兰在不少学术会议上遇见过。他们开创的实验，使量子光学在近二三十年飞速发展，目前最大的潜在突破点是超级量子计算机和超准光钟。

　　量子计算机最基本的数据单位依然是比特——0或1。但与常规计算机不同，一个量子构成的量子比特，可以同时表现为0和1，两个量子比特就是00、01、10、11四种状态。以此类推，300个量子比特承载的数据量便可达到2的300次方，超过整个宇宙的原子数量总和。同时，它的运算速度极快。张卫平说，虽然整体上量子计算机与实用还有很远的距离，但既然其最基础的部分——得到1个量子比特已获成功，那么，说不定本世纪内相关技术就能成熟，从而给人类带来新的计算革命。

　　与量子计算机相比，光钟更接近现实。正因为可以操控单个量子，科学家就能按意愿调控量子的振荡频率，直到光频段。量子振荡相当于钟摆，频率越高，精度越高。目前，实验中的光钟比此前最先进的铯原子钟精准数百倍——若这座钟从宇宙发端之日起运行，至今的误差只有5秒。借助这样的钟，GPS卫星能更精确地进行全球定位，科学家甚至可以用它来观测因为步行导致的时间变慢——相对论认为，运动会导致时间变慢；接近光速时，时间将趋于停止。

　　回到薛定谔的猫。某种意义上，今年两位诺奖得主的成就，已让不开箱子观察猫成为可能。张卫平说，许多类似实验其实正在做。箱子里当然没有真猫，而是少数“猫态”的量子，科学家希望能一层层剥开“量子猫”幸存或牺牲的秘密。

　　据报道，本月新出版的《自然》杂志上，就刊登了一篇猫态量子的实验报告。

荐稿人:wdl 2012-10-18    执行编辑:tmy  2012.10.18     责任编辑:zjy   2012.10.18