量子光學(xué)之父和精密光譜學(xué)大師-2005年諾貝爾物理學(xué)獎

量子光學(xué)之父和精密光譜學(xué)大師——2005年諾貝爾物理學(xué)獎2005年10月4日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2005年度諾貝爾物理學(xué)獎的一半獎金授予美國量子光學(xué)家羅伊·格勞伯，以表彰他對光學(xué)相干的量子理論做出的貢獻；另一半獎金則頒發(fā)給美國量子激光學(xué)家約翰·霍爾和德國量子光學(xué)家特奧多爾·亨施，以表彰他們對基于激光的精密光譜學(xué)發(fā)展做出的貢獻。

羅伊·格勞伯1925年出生于紐約，畢業(yè)于美國哈佛大學(xué)，1949年獲得哈佛大學(xué)博士學(xué)位，1952年成為哈佛大學(xué)助理教授，1956年獲得哈佛大學(xué)終身教授之職，現(xiàn)仍供職于哈佛母校。他成為第42個榮獲諾貝爾獎的哈佛大學(xué)教授。

約翰·霍爾1934年出生于美國丹佛，1961年獲卡內(nèi)基理工學(xué)院博士學(xué)位，1964年獲匹茲堡劍橋技術(shù)學(xué)院物理學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)供職于科羅拉多大學(xué)，同時兼任美國國家標準和技術(shù)研究院高級科學(xué)家。

特奧多爾·亨施1941年出生于德國海德堡，1969年獲海德堡大學(xué)博士學(xué)位，目前擔(dān)任德國馬克斯－普朗克學(xué)會下屬的量子光學(xué)研究所所長，同時擔(dān)任慕尼黑路德維希－馬克西米利安大學(xué)物理學(xué)教授。光是什么？—光的量子性人類自誕生之日起，就對自身賴以生存的神秘的光產(chǎn)生了濃厚的興趣。它的本質(zhì)是什么？究竟是粒子還是波？18世紀中葉，牛頓認為，光是由很小的物質(zhì)微粒組成，從發(fā)光體發(fā)出，猶如一群飛行的子彈，從而建立了光的微粒說。19世紀中葉，波更斯和菲涅爾等人通過對光的反射、折射、干涉和衍射的廣泛研究，認定光是一種波。之后，麥克斯韋提出了電磁波的理論，認為光本身就是一定波長范圍的電磁波。

光就是電磁波，光的量子性，確切地講應(yīng)該是電磁場的量子性，這就是量子力學(xué)研究的范疇。

德國人普朗克在1900年提出量子假說，并于1906年建立經(jīng)典量子論的理論基礎(chǔ)，即能量只能取某一基本量（即能量子或作用量子）的整倍數(shù)，這一作用量子也稱普朗克常數(shù)（h），是微觀世界的基本標志。量子論的誕生使物理學(xué)進入了一個新的時代，普朗克因此于1918年獲獎。

德裔美國人愛因斯坦1905年進一步確認和發(fā)展了普朗克“能量子”的觀念，并提出了“光量子說”：光是由一個個能量單體量子組成，這種光量子除了有波的性狀之外，還有粒子的發(fā)現(xiàn)，從而圓滿地解釋了光電效應(yīng)。鑒于這個發(fā)現(xiàn)，愛因斯坦榮獲了1921年諾貝爾獎。同時，他發(fā)展了量子理論，創(chuàng)立了相對論。量子論與相對論一起，導(dǎo)致了20世紀初的物理學(xué)大革命。

丹麥人玻爾是經(jīng)典量子論和現(xiàn)代量子論的創(chuàng)立者之一，1913年把量子化的概念引進原子結(jié)構(gòu)理論，即把愛因斯坦和普朗克的量子論與核式原子概念結(jié)合起來，從而解釋了原子發(fā)射的光譜，榮獲1922年諾貝爾獎。此后，他提出電子的波動模型與它的粒子性是互補的，使量子力學(xué)的發(fā)展由經(jīng)典量子論進入現(xiàn)代量子論的階段。

美國人康普頓1922年通過光與電子的散射實驗，觀測到了光在散射過程中顯示出的粒子性，從而證明光是由具有特定頻率的能量子——光子組成；1923年發(fā)現(xiàn)并解釋了X射線與電子撞擊時波長的變化，從根本上證明了光不僅是電磁波，也是具有能量動量的粒子，為量子論提供了有力的證據(jù)。這個被稱為“康普頓效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)獲1927年諾貝爾獎。1924年玻色進一步提出，光子是質(zhì)量為零、自旋量子數(shù)為1的粒子。

20世紀初由于光的波動性和光的粒子性都是由可靠的實驗所證明，使科學(xué)家們“光同時具有粒子性和波動性”的觀念得以確立：光既不是像子彈一樣經(jīng)典理論中的質(zhì)量粒子，也不是像水波一樣的經(jīng)典理論中的波。這就是自然界所表現(xiàn)出來的特征，稱為光的波粒二象性。量子光學(xué)之父盡管人類已經(jīng)進入了量子光學(xué)和激光的時代，科學(xué)家們?nèi)匀槐灰恍﹩栴}所困擾。例如說一個蠟燭發(fā)出的光與CD唱機中采用的激光束之間究竟有什么區(qū)別？

早在20世紀60年代，格勞伯就認為，已發(fā)現(xiàn)的量子力學(xué)的理論并不是最終真理，應(yīng)該更好地發(fā)展量子理論,繼續(xù)探索“光，是什么？”，從而開創(chuàng)了建立量子光學(xué)的里程碑式的研究工作。

1963年，格勞伯就通過自己先驅(qū)性的工作，成功地應(yīng)用量子理論來解釋一些光學(xué)現(xiàn)象，諾貝爾物理學(xué)獎評委會贊言道，格勞伯是能夠回答蠟燭和激光到底有什么本質(zhì)區(qū)別的人。期年，他在《物理評論通信》上發(fā)表了研究論文，此后又在《物理評論》等雜志上發(fā)表了幾篇相關(guān)論文，創(chuàng)造性的提出了“相干性量子理論”，成功的描述了光粒子的運行原理，展示了光粒子的特性在一定條件下是如何影響它的運行方式。盡管這些條件在自然狀態(tài)下很難觀察到，但是它經(jīng)常與精密光學(xué)儀器密切相關(guān)。格勞伯指明，量子物理學(xué)觀察到的激光與自然光相比，具有方向性、單色性和相干性好而亮度極強等特點。激光的這些特點正是有別于自然光之處，利用相干性的不同，可以有效地與自然光相區(qū)別，科學(xué)家也正是利用上述這些激光的優(yōu)點把它廣泛地應(yīng)用于自然科學(xué)的各個領(lǐng)域，為人類造福。格勞伯的這些論文，奠定了量子光學(xué)學(xué)科的理論基礎(chǔ)。

20世紀60年代開始，激光技術(shù)有了很大的發(fā)展，但是如何解釋一些新的現(xiàn)象，如何對光本身的一些特性進行描述還缺少理論基礎(chǔ)。格勞伯提出的“相干性量子理論”解決了這些問題，并為現(xiàn)代光學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。格勞伯的成就奠定了他在量子光學(xué)領(lǐng)域中的領(lǐng)軍地位，他被譽為量子光學(xué)之父。

由于格勞伯等量子力學(xué)先驅(qū)者的貢獻，量子光學(xué)終于在20世紀60年代誕生了。

格勞伯1963年就提出了“相干性量子理論”，不僅解決了現(xiàn)代光學(xué)的一些基礎(chǔ)性問題，而且奠定了量子光學(xué)的基礎(chǔ)，開創(chuàng)了一門全新的物理學(xué)學(xué)科——量子光學(xué)。然而經(jīng)過了42年的考驗，80歲高齡才獲得諾貝爾物理學(xué)獎。他的5篇代表性論文沒有一篇發(fā)表在《科學(xué)》或《自然》雜志上。但是他的成就為世人所矚目。他獲得諾貝爾獎，是學(xué)術(shù)界許多人都期待已久的事情。在哈佛大學(xué)召開的新聞發(fā)布會上，哈佛大學(xué)物理系主任認為，格勞伯的獲獎是一個遲到的獎勵。

格勞伯勤奮努力，非常熱愛自己的教學(xué)和科研工作，在開完慶祝他獲獎的大會之后，他立刻出席由9位大學(xué)新生參加的研討會，他向與會者講述了原子彈項目的背景和歷史。格勞伯的工作不僅奠定了量子光學(xué)的基礎(chǔ)，而且一旦發(fā)揮作用，意義就非常重大，比如用于研制量子計算機和開發(fā)更加安全的量子密碼通信技術(shù)。精密光譜學(xué)大師激光是光學(xué)和量子理論、無線電子學(xué)、微波波譜學(xué)、固體物理學(xué)等相結(jié)合的產(chǎn)物。激光具有廣泛的用途，如用于特種加工、精密檢測、探測導(dǎo)航、醫(yī)療、制藥、育種、通信等領(lǐng)域，并且是一種常用的科研技術(shù)手段，前景廣闊。諾貝爾物理學(xué)獎對這個“遲到而實用”的新興物理學(xué)科4次對9人頒發(fā)，全部是在20世紀60年代以后。

1913年玻爾（1922年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者）提出電子躍遷理論，1917年愛因斯坦（1921年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者）提出受激輻射理論，成為激光理論的基礎(chǔ)。由這兩位科學(xué)家的指引，使在20世紀激光進入了人類的生活。

2005年獲獎?wù)呋魻柡秃嗍芄庾V學(xué)的創(chuàng)造性研究成果，主要是結(jié)合了原子物理和量子光學(xué)，在精確測量方面做出了杰出貢獻。世界科學(xué)巨匠愛因斯坦早在1917年就指出，原子可存在不同的能級狀態(tài)，處于高能級的原子被能量合適的光子擊中時，原子就躍遷到低能級，同時放出一個無論是能量和運動方向都與入射光完全相同的新光子。這樣，原來只有一個光子，現(xiàn)在變成了兩個；這兩個光子又擊中兩個氫原子，從而放出另外兩個光子；所有四個光子又會使氫原子放出四個新光子，如此繼續(xù)不斷地打下去，最后就會有一大批光子像雪崩一樣被釋放出來，并且所有光子的能量和運動方向都是一模一樣的。由于氫原子產(chǎn)生躍遷的光子是人為產(chǎn)生的，具有非常確定的能量，另外，能量與頻率有關(guān)，因此，產(chǎn)生這類光子的諧振器，就可以作為時間的基準。用激光研究榮獲諾貝爾獎的大師都是依據(jù)著愛因斯坦上述基本理論而獲得成功的。

霍爾和亨施還創(chuàng)造性地吸納了2001年諾貝爾獎獲得者、美國凝聚態(tài)物理學(xué)家克特勒、康奈爾和韋曼的研究成果。長期以來，人們一直希望讓物質(zhì)處在一種可控制的狀態(tài)下，就像激光一樣。早在1924年，印度物理學(xué)家玻色就對光粒子進行了理論計算，然后把結(jié)果寄給愛因斯坦。愛因斯坦將他的結(jié)論加以推廣并應(yīng)用于特定原子的研究領(lǐng)域，從而發(fā)現(xiàn)了“玻色－愛因斯坦凝聚”這種物質(zhì)形態(tài)，創(chuàng)建了凝聚態(tài)物理學(xué)科，2001年獎獲得者發(fā)現(xiàn)，玻色－愛因斯坦凝聚是一種相變，將相當數(shù)量的粒子處于同一量子態(tài)，這個特點有點像使光子處于同一能態(tài)的激光，因此被稱為“原子激光”。

在格勞伯的理論提出20年之后，以原子物理和量子光學(xué)為基礎(chǔ)霍爾和漢斯在高精度的測量技術(shù)方面做出了杰出貢獻。

原子鐘是當前相當精密的時間測量儀器，它對時間精確測量主要依靠原子躍遷的頻率測量的精確度，原子處于熱運動狀態(tài)下，測量就不可能太精確。利用激光冷卻技術(shù)使原子冷卻，也就是降低它的熱運動速度就有可能得到精確的測量結(jié)果。

對時間的精確測量主要依靠原子躍遷的頻率，但在原子運動的狀態(tài)下，測量不精確。然而利用激光技術(shù)將原子冷卻后使之速度降低，就可以做出精確測量?；魻柡蜐h斯的主要工作是在精確測量技術(shù)上取得了較好的成果。他們成功地應(yīng)用了一種叫做光梳（也叫頻率梳）的技術(shù)。

所謂“光梳”技術(shù)就是研制出一種新的裝置，使之能產(chǎn)生一系列頻率均勻分布的頻譜，即它所產(chǎn)生的頻譜像有均勻間隔的梳子一樣，人稱“頻率梳”。這種“頻率梳”就像一把帶有刻度的光學(xué)梳子，專門用來梳理光波的頻率，也就是說用來測量光波未知頻譜的具體頻率。

頻率測量的精確性很大程度上取決于時間測量的精確性。美國國家標準技術(shù)研究院和科羅拉多大學(xué)“聯(lián)合研究所”的科學(xué)家開發(fā)的世界上迄今為止最精密的時鐘，精確度可達幾個毫沙秒。1毫沙秒等于1000萬億分之一秒。因此，這種“頻率梳”的“梳齒”間的“齒距”在毫沙秒級。這種“頻率梳”被稱為“毫沙秒梳”。這樣精密的時間間隔是由激光脈沖產(chǎn)生的。這種世界上迄今為止最精密的時鐘將比當今微波原子鐘要精密100倍。

20世紀70年代漢斯首先提出了采用短脈沖激光作為測量光頻率尺度的光梳技術(shù)。霍爾第一次看見漢斯的論文時，他認為這個主意“不是天才的預(yù)言，就是絕對的荒謬”。但是漸漸地霍爾認為這是一個極好的想法。

光梳技術(shù)的實現(xiàn)需要用一臺激光器發(fā)射出波長穩(wěn)定的短波光脈沖。霍爾和漢斯在合作與競爭中逐步把工作推向前進。大約在5年前霍爾和他的同事在美國國家標準技術(shù)研究院和科羅拉多大學(xué)“聯(lián)合研究所”實驗室解決了實現(xiàn)光梳技術(shù)的最后一個難題。由于獲獎?wù)邔馐峒夹g(shù)進行了有效地改進，在20世紀末期，光梳的精確度已經(jīng)可以達到小數(shù)點后15位。

這三位獲獎?wù)叩难芯砍晒M管生澀難懂，但卻早已經(jīng)在諸多領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，在一些方面已惠及普通人，與我們的生活息息相關(guān)。光梳技術(shù)的研究成果可以廣泛用于化學(xué)、物理和天文領(lǐng)域中的超精密測量，制作更為精密的原子鐘，改進現(xiàn)有的全球GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，提高太空望遠鏡的觀察精確度，也可以用于制作三維激光全息電影