諾獎得主阿羅什的科學觀:暢想量子的美好世界—新聞—科學網

2020-11-22 科學網

 

10月9日,瑞典皇家科學院諾貝爾獎委員會宣布,由於在量子光學領域所取得的傑出成就,法國科學家塞爾日·阿羅什和美國科學家大衛·瓦恩蘭共同獲得2012年度諾貝爾物理學獎。

 

塞爾日·阿羅什出生在摩洛哥卡薩布蘭卡,父親是猶太人,母親是俄羅斯人,他的妻子則是一名人類學和社會學家,他的祖父曾在摩洛哥「法語聯盟」從事法語教學工作。在他12歲那年,阿羅什舉家遷居法國。

 

其實早在獲得諾獎之前,阿羅什已經是法國乃至世界範圍內量子光學領域的傑出人物。2009年,阿羅什獲得法國國家科研中心金質獎章,以獎勵他在量子光學領域的巨大貢獻。2012年的諾貝爾物理學獎,讓這位謙和、低調和熱愛藝術的法國科學家再一次在世人面前「閃耀」。

 

他的名字永遠鐫刻在了巴黎高師的榮譽牆上

 

阿羅什就職於法國最負盛名的教育科研機構——巴黎高等師範學院,巴斯德、薩特、傅立葉、羅曼·羅蘭、福柯、伽洛瓦等一個個在法國科技史、文化史上閃耀的名星,都曾在這所學校求學。而現在,阿羅什也像前輩們一樣,把自己的名字永遠鐫刻在了巴黎高師的榮譽牆上。

 

由於是法國精英教育的標杆性聖地,巴黎高師在招收學生上向來慎之又慎,在筆試之後,還至少要經過三輪面試。而這所學校每年最終所錄取的學生人數也不過區區幾十人,所以學校各級學生和外國留學生的總規模一直控制在2000人左右。在法國教育界,一直流傳著這樣一種說法,只要拿到巴黎高師第一輪面試資格的學生,就可以去法國任何大學和研究所上學。巴黎高師的既往歲月中,誕生了無數的科學和人文藝術領域的大師,共計有10位來自物理、化學、經濟學、文學領域的諾貝爾獎獲得者和9位菲爾茲獎得主。

 

繪畫與歌劇給予了他科研激情

 

阿羅什位於巴黎高師辦公室的牆上貼滿了各種圖表和怪異公式,很容易讓初次結識他的人產生錯覺,阿羅什就是一個潛心量子物理的「科學怪人」。可實際上,阿羅什除了物理學,對繪畫、歌劇等藝術領域也非常感興趣。他在接受法國《世界報》採訪時說,繪畫與歌劇給予了自己科研的激情。他在科學與藝術之間找到了「共振」與「共鳴」。現代物理學本身就在晦暗莫測的領域裡探索和研究,這和藝術領域裡追求更新更高的突破並無不同,都是在追求各自領域裡「神秘而有趣的東西」。

 

阿羅什藝術方面的興趣最好的說明就是:有一次在維也納舉行的科學會議期間,他專門拿出一天時間去美術館欣賞克裡姆特和席勒的畫作,他認為現在藝術家畫作中反映出的 「興奮」和「關注」正是量子物理學的核心追求所在。

 

阿羅什有著一雙超乎常人的眼睛。對他來說,任何事物都不是非黑即白,世界萬物都可以既是黑色又是白色。更妙的是,他認為一件東西並不是在這裡或那裡,而是既在這裡又在那裡。對他而言,門沒有打開或關閉,它可以同時打開和關閉。阿羅什認為,探究一個生命是活著還是死了並無意義,生命可以同時存在活著的和死去的兩種狀態。而所有這些異於常人甚至驚世駭俗的觀察和判斷,正是來源於他長期在量子物理學領域的鑽研和探索。

 

阿羅什認為,量子物理學是一個混亂的世界。但在這個矛盾的世界裡卻可以找到唯一確定性,那就是隨機和最最直觀的真理。

 

黑色的短髮裡夾雜著幾簇銀髮,一直穿著深色襯衫,說話時慣用手勢的阿羅什喜歡引領談話者走進他的想法和世界。他說,正如藝術領域從印象派到立體主義的過渡不乏激進,現在物理學的研究也走過了一條不平凡的道路。一方面,經典物理學的定律依然適用於我們的現實世界,尤其是大型物體的規律和運行如行星和星系;另一方面,量子物理學的原則則更多適用於原子、基本粒子和無限小的物理學領域。相對而言,後者是一個更加廣闊和神秘的空間。

 

阿羅什說,在量子物理學的層次上來看,材料可以定義為幾個能量水平的一次「疊加」,而且由於物質雙重性質的粒子性和波動,一個物體可以同時顯示出現在不同的地方。不確定性是物質最本質和原始的狀態,而人們一旦開始用科學的手段測量,為了得到物質的一個基本準確定義,則已經認為疊加了能量水平,那麼這時得到和測出的物質已然不準確了。這就是為什麼在日常生活中,受環境的影響,物質的狀態一直是改變和不確定的,多個能量水平的疊加狀態是如此短暫,普通科研器械根本難以捉摸。因此,在阿羅什看來,物體可以同時是白色和黑色,門既開又閉,而物質永遠不死即物質不滅。

 

他選擇量子光學作為主攻方向

 

20世紀60年代,光學物理經歷了一場革命,物理學家在了解光捕獲和處理問題上取得了重大突破,而那時正是阿羅什致力於量子光學研究的開始。在短暫的工程師和法國國家科研中心工作經歷後,阿羅什選擇來到巴黎高師,開始了自己在量子物理學領域的「探險」歷程。他的研究偏重於原子之間的相互作用和輻射,阿羅什認為,了解世界最根本的依據來自周圍的環境,而環境中所有的信息和能量物質傳遞都可以通過光的方式。所以在龐大的量子物理學領域,他又選擇量子光學作為主攻方向。

 

在量子光學領域,愛因斯坦、玻爾等科學巨擘奠定了「理論虛擬思想實驗」的基礎,而量子力學之父——薛丁格則通過著名的思想試驗——薛丁格的貓,將量子力學中的反直觀的效果轉嫁到日常生活中的事物上來。在前輩們研究的基礎上,阿羅什通過艱苦卓絕但不無趣味的努力,成功地馴服原子和光子。他成功觀察到量子疊加,彌補了實驗室顯示器實時觀察連貫性時的損失。他發明的新檢測方法在觀察的同時並不介入,這樣就不會破壞光子的傳播。毫無疑問,這是一個傑作,一個偉大的創舉。

 

在阿羅什的實驗室裡,林立的管道和氣瓶都用鋁箔牢牢包裹著,幾乎所有的實驗器材都是他和自己的同事學生親手製成的。設備雖然簡陋,但包含多項世界領先甚至獨創的觀測技術。

 

實驗室的一面牆壁可以被冷卻到接近絕對零度,而此時光子就可以被捕獲到足夠長的時間。要知道,光子在百分之一秒的時間裡就可以反彈超過1億次,行駛40000公裡,這相當於繞地球一圈。阿羅什的創新實驗方法,可以觀察到光子運動在兩個能量級之間過渡的一個小小轉變的節拍,並捕捉到這個節奏轉變中注入的原子,從而證明物質是能量層疊加的存在。

 

政府應重視和加強基礎研究工作

 

量子力學研究的明天是什麼?這聽起來可能是一個過於功利性的題目。但實際上,量子物理學在資訊時代價值日益重要且不可替代,海量信息系統維護和資料加密要求不斷提高的今天,都需要量子力學的突破和進展。

 

在阿羅什看來,科學研究和經濟利益不應該沾邊,為了科學本身而研究,最終自然就會作用於人類共同的提高和進步。他認為,政府絕對不應該按照回報率和投入產出比來制定科研經費的分配,因為科學研究是「文化和文明的標誌,是一門最最高貴的藝術」。

 

阿羅什呼籲政府要進一步重視和加強基礎研究工作,這裡面物質條件的困境還不是最主要的問題,最要緊的是不要通過資金分配的手段,打擊青年研究人員投身於基礎研究的積極性。目前科研領域把絕大部分資金投入到信息技術、新能源等所謂高精尖的前沿領域,而最基本、最基礎的科學理論研究長時間得不到足夠重視,這樣的分配手法令人不安。他認為,基礎研究的受益者是全人類,而最終也會反饋於經濟社會,基礎研究的成果才是真正的國家財富。

 

 

 

 

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