物理学奖

物理学奖

2012这个末日论漫天飞舞的年份里，欧洲核子研究中心传出一个很实在的消息；大型强子对撞机（lhc）捕获了非常类似希格斯玻色子的信号。希格斯场是物质质量的来源，希格斯玻色子如果被确证，那杨振宁一米尔斯规范场理论的标准模型将画下·个完美的句号。预言这个粒子的希格斯老爷爷已经80多岁了，很多人都期待着他成为今年诺贝尔物理学奖的最终赢家。

结果有些出入意料，希格斯老爷爷遗憾落选，奖项授予美国的大卫·维兰德（david j.wineland）和法国的塞尔日·阿罗什（serge haroche）。这两名实验物理学家在过去20多年的研究中开创了测量与操纵单个量子系统的实验方法。阿罗什的实验方法是用原子测量单个光子，而维兰德的实验是用激光控制单个离子。他本文由论文联盟收集整理们都反复进行了一系列实验，并发表了大量论文。

科学背景

高中物理讲过，原子中间是一个极小的原子核，是电子，不过原子层次的物理现象没法用牛顿的经典力学解释，为了说清楚原子的事儿，物理学家们创立了量子理论。这个理论认为物质粒子也具有波的性质；粒子也不像皮球那样缺乏个性地沿着确定的路径运动，而是可以同时处于多种状态，循着无穷多的任意路径达到最终状态。物理过程必须考虑所有可能路径的总汇。

量子理论虽然如天书，却是微观世界真实的客观规律。它不但用于原子能级、光谱、半导体、超导等现象，也被用于化学、生物等领域，还用来计算分子结构以及解释生物化学过程。没有量子理论，孰不会有晶体管、集成电路、激光，也就不会有计算机与计算机通讯。可以说，量子的宏观应用已经使人类从电气时代进入了微电子时代。

晕死人的量子世界

维兰德来自于美国加州，中学时并不是最优秀学生，在高中最后一年才对物理产生了兴趣。大学原本读的数学专业，后来才改学物理，拿到物理博士学位后在美国国家标准技术研究所当研究员。他在那里干了37年，主要研究用离子束缚（iontrap）探索量子世界。

维兰德与阿罗什的研究是直接操控并测试单个粒子的量子系统。对于维兰德的实验，他的方法是用电场把单个离子（如汞离子）限制在一个势阱（可以把它想象成一个无

转贴于论文联盟

形牢笼）内，就像用磁场把磁悬浮列车悬在空中一样。这个离子在势阱里只能来回运动，无法逃逸出去。

被束缚在势阱里的离子整体只能来回振动（你可以理解为折返跑），而离子内部的电子也有不同的能级。这个振动的能量是量子化的，也就是一级一个台阶，只能在不同的能级之间跳跃。离子内部的能量也是量子化的，也是一级一个台阶。

维兰德的秘诀是调节激光的频率，迫使离子内部能级跳上一个台阶的同时让它的振动能级跳下一阶，这样离子就会从内部高能级回落到低能级，不断重复下去达到降低振动能级的效果，使离子处于运动能量最低的状态。离子从高能级向低能级跃迁的时候释放的能量转换为一个光子，而光子的频率正比于它的能量。在固体与气体中，原子能级跃迁时的发光受到其他原子以及自身运动的影响，导致频率的扰动。而单个孤立的离子则不受这些因素的干扰，因而可以实现很高的频率精度。在另一个实验中，通过不同的激光对离子照射，使它同时处于两个量子状态——这就是量子力学里“薛定谔的猫”，而且进行了相应的测量。在更为复杂的实验中，三个离子形成量子缠绕状态，构成三个可以用于量子计算的量子位元（qubit）……过去对量子力学的检验大多是基于统计结果，而通过对单个离子的精准控制，维兰德等人的各种实验与测量直接从微观层次验证了量子力学。

阿罗什与维兰德殊途同归。他的实验是通过两面镜子来回反射把光子关进一个空腔，通过测量这些光子对高能级原子的影响得出光子的量子信息。

应用与展望

狭义相对论预言，如果一对双胞胎中的一人跑一圈回来再比较年龄，会发现这位运动者要年轻一些。这个效应非常细微，但用维兰德的光学钟却能测出这个年龄的差别。广义相对论预言引力场中的时钟会变慢，维兰德的时钟也直接测量出了这个变化……他们把光学钟高度提高30厘米，就发现时间在以不同的速度流逝，并且与广义相对论计算的结果相符。这么精确的光学钟如果成为成熟的技术，其应用将不只限于提高卫星定位精度。

数十年前，物理学家费曼曾提出制造分子机器与量子计算机的设想。今天，量子科技的发展不仅满足了我们对自然奥秘的好奇，更具有直接与深远的应用。人类正由电子时代进入量子时代，神奇的量子世界正在等待年轻的朋友们继续开拓。转贴于论文联盟