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《科学24小时》

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设个陷阱捉粒子

2013-01-27 12:25:26

前言       

        2012 年10 月9 日,瑞典皇家科学院宣布,将2012 年诺贝尔物理学奖授予法国物理学家塞尔日·阿罗什和美国物理学家戴维·瓦恩兰,以表彰他们在量子物理学方面的卓越成就。这两位科学家的成就在于“开启量子物理学实验新时代的大门,显示不必损毁量子粒子个体,就可以直接观测它们”。两位获奖者首次让这个领域的研究向应用层面发展,让新一代的超级量子计算机的诞生有了初步的可能。此外,评委会还表示,两位获奖者也在极端精准的光子钟领域有着重大贡献。

正文       

        在野外挖个陷阱,一些野生动物就可能陷在其中难以逃脱。这是一种常见的捕捉野生动物的方法。这种方法看似十分古老且简易,但它却可以用于尖端的量子物理学研究领域。2012 年10 月9 日,来自法国和美国的两名“粒子猎手”一起获得了2012 年诺贝尔物理学奖。他们采用的就是设置陷阱的方法来捕捉粒子,只不过要设置这样一个高科技陷阱,可比在野外挖坑难多了。
        科学家最早发现的粒子是电子和质子,此后于1932 年又发现中子,确认原子由电子、质子和中子组成。之后这类被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的。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,但它却是在宏观观测的基础上建立起来的。也就是说,物理学家观测一片粒子的宏观活动,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,想找到单个的粒子就很不容易了;即使找到了它们,它们也不会按照某种规律停留在某个地方或某个轨迹上。
        于是,科学家自然而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看似不可能的任务。
        从1990 年开始,他就在努力。最终,他在接近绝对零度(零下273℃)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。这期间,光子不断反弹的总移动距离高达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,会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。
        虽然阿罗什早在20 年前就设置出光子阱,但是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,这超越了爱因斯坦希望光子困住几秒的设想。
        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·瓦恩兰设计的实验却正好与之相反,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。阿罗什用光学陷阱来囚禁光子,瓦恩兰则用电磁场作为陷阱囚禁离子,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。目前,离子阱和光子阱已被广泛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。
       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。由于量子计算机在理论上要比现有的计算机快上成千上万倍,人们十分期盼它能尽快变为现实。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 年后将出现量子计算机。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。

名词解释:

        粒子:能够以自由状态存在的最小物质组分。

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诺贝尔物理学奖获得者简介
        塞尔日·阿罗什,1944 年生于摩洛哥的卡萨布兰卡,现为法国籍。1971 年,他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和法国综合理工大学,现为法兰西学院和巴黎高等师范学院教授。
        戴维·瓦恩兰,1944 年生于美国密尔沃基,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。

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