“熱情，求知，直覺(jué)，機(jī)遇。”
從立志成為天文學(xué)家，到傾盡一生探索光的科學(xué)，終將“薛定諤的貓”思想實(shí)驗(yàn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，法蘭西公學(xué)院名譽(yù)教授、2012年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）在今天（11月8日）上午的第四期“浦江科學(xué)大師講壇”上，總結(jié)出自己做科研的四個(gè)關(guān)鍵詞。
光學(xué)是物理學(xué)中古老的學(xué)科，又是當(dāng)前科學(xué)研究中最活躍的學(xué)科之一，推動(dòng)著人類對(duì)自然的認(rèn)知不斷深化和人類社會(huì)的進(jìn)步。科學(xué)家眼中的“光”是什么樣的？以“光的科學(xué): 從伽利略到量子物理”為題，阿羅什從自己的求學(xué)生涯講起，追溯17世紀(jì)以來(lái)光的科學(xué)史，并將新型量子技術(shù)的前沿發(fā)展娓娓道來(lái)。
上海市政協(xié)副主席吳信寶出席講壇并為阿羅什頒發(fā)“主講科學(xué)家”紀(jì)念證書(shū)，復(fù)旦大學(xué)校長(zhǎng)、中國(guó)科學(xué)院院士金力主持講壇。市政協(xié)副主席錢(qián)鋒，市政協(xié)科教委、市科技黨委、市科委、市教委、市科協(xié)等單位負(fù)責(zé)人，上海市各高校、中學(xué)師生及科研人員代表出席活動(dòng)。
帶著好奇與熱情投身科學(xué)研究
“我從年輕的時(shí)候，就為光的科學(xué)所折服和著迷。”
講座伊始，阿羅什真摯回憶了青年時(shí)期的求學(xué)經(jīng)歷。年少的他出于對(duì)光的濃厚興趣，立志今后從事天文學(xué)的研究。
1966年，20歲的他進(jìn)入巴黎高等師范學(xué)院的卡斯特勒-布羅塞爾實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)啟自己的研究生涯。這間實(shí)驗(yàn)室可謂大師云集——在阿羅什之前，他的導(dǎo)師卡斯特勒在1966年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，實(shí)驗(yàn)室的另一位科學(xué)家布羅塞爾則是法國(guó)量子光學(xué)學(xué)派奠基人。
這些學(xué)界領(lǐng)軍人物，給予了年輕人充足的自由和激勵(lì)，這讓阿羅什感懷至今，“我非常高興，也非常幸運(yùn)能夠在這樣的環(huán)境中受到熏陶。”
▲卡斯特勒-布羅塞爾實(shí)驗(yàn)室成員合影，左三為卡斯特勒，左二為布羅塞爾，左四為阿羅什
令他感到幸運(yùn)的另一件事，則是激光的發(fā)明。阿羅什正是從激光技術(shù)發(fā)明之后開(kāi)啟了物理學(xué)研究。作為操控個(gè)體量子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，激光是他職業(yè)生涯的最好幫手。“激光為基礎(chǔ)物理學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)的進(jìn)步開(kāi)辟了道路，而這在20世紀(jì)60年代是難以想象的。”他說(shuō)。
2012年，阿羅什和美國(guó)物理學(xué)家大衛(wèi)·維因蘭德因“突破性的試驗(yàn)方法使得測(cè)量和操縱單個(gè)量子系統(tǒng)成為可能 ”獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。作為腔量子電動(dòng)力學(xué)的行家，阿羅什通過(guò)量子技術(shù)，運(yùn)用原子和光設(shè)計(jì)了一個(gè)現(xiàn)實(shí)中可行的實(shí)驗(yàn)，成功馴服原子和光子并觀察到量子疊加。
他所發(fā)明的檢測(cè)方法在觀察的同時(shí)不介入，這讓量子物理學(xué)創(chuàng)始人所設(shè)想的思想實(shí)驗(yàn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。那只曾經(jīng)困擾物理學(xué)界多年的“薛定諤的貓”似乎終于可以在現(xiàn)實(shí)中被“捉”住了。
創(chuàng)舉背后的驅(qū)動(dòng)力到底為何？阿羅什在現(xiàn)場(chǎng)分享了做科研的秘訣。
“如果你要成為一名科學(xué)家，首先必須要有激情和熱情，要對(duì)外部世界有探索的好奇心，必須能夠在某些領(lǐng)域做非常深入的研究，對(duì)知識(shí)的探索與渴求有非常強(qiáng)烈的追求。”阿羅什相信，個(gè)人的傾情投入在科學(xué)的創(chuàng)新探索中不可或缺。
此外，要真正為現(xiàn)有科學(xué)帶來(lái)革新，不僅要和同時(shí)代研究者們交流合作，也要向歷史上偉大的科學(xué)先驅(qū)們追問(wèn)學(xué)習(xí)，“如果你要做科學(xué)，必須要和一群才華橫溢的科學(xué)家團(tuán)體為伍，歷史上那些星光熠熠的科學(xué)家，都會(huì)成為你不斷激發(fā)熱情、探索全新科學(xué)前沿的動(dòng)力。”
最偉大的科學(xué)成就都與“光”有關(guān)
從17世紀(jì)的伽利略到牛頓，再到19世紀(jì)與20世紀(jì)的法拉第、麥克斯韋、普朗克及愛(ài)因斯坦等一眾科學(xué)家……阿羅什在PPT中分享了一張光科學(xué)史縱覽圖，許多耳熟能詳?shù)拿直M在其中。可以說(shuō)，科學(xué)史上的眾多偉大思想的誕生，無(wú)不受到光的“照射”。
“關(guān)于外部世界我們所了解的大部分知識(shí)，其實(shí)都來(lái)自于光。”阿羅什認(rèn)為，科學(xué)基礎(chǔ)研究的巨大突破離不開(kāi)對(duì)光的探索，科學(xué)殿堂上最偉大的科學(xué)成就都與光相關(guān)。
光有沒(méi)有速度？故事的開(kāi)端，要從那個(gè)將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)星空的伽利略談起。在伽利略所處的時(shí)代，人們都認(rèn)為光是無(wú)限快的。而伽利略首次提出“光速可以被測(cè)量”，從而邁出人類探索光速的第一步。70年后，奧勒·羅默通過(guò)“木衛(wèi)一蝕”現(xiàn)象的觀測(cè)，首次證實(shí)了光速是有限的。
光到底是粒子還是波？光的波粒二象性如今廣為人知，阿羅什細(xì)致梳理出其背后一眾科學(xué)先驅(qū)跨越200余年的思考與討論。17世紀(jì)，以牛頓為代表粒子說(shuō)和以惠更斯為代表的波動(dòng)說(shuō)兩派僵持不下；19世紀(jì)初，托馬斯·楊用雙縫實(shí)驗(yàn)證明衍生光波遵守疊加原理，證實(shí)了光的波動(dòng)性質(zhì)。
直到19世紀(jì)中葉，麥克斯韋提出光的電磁波理論，并且通過(guò)海因里希·赫茲的實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證，由此統(tǒng)一了電、磁和光學(xué)。阿羅什稱其為“一項(xiàng)偉大的研究”。電磁波理論對(duì)光的本質(zhì)作出了新的闡釋：光和磁由同一物質(zhì)觸發(fā)，光是一種根據(jù)電磁定律在場(chǎng)中傳播的電磁擾動(dòng)。
以20世紀(jì)初開(kāi)爾文男爵的“兩片烏云”理論作為引入，阿羅什進(jìn)一步講述了量子力學(xué)和相對(duì)論的誕生及其對(duì)光的研究所帶來(lái)的巨大革新——普朗克的黑體輻射定律使人類更加深入地理解電磁輻射的本質(zhì)，愛(ài)因斯坦光量子說(shuō)則幫助奠定了量子力學(xué)的基礎(chǔ)。
在其后眾多科學(xué)家的合力下，量子物理的“潘多拉魔盒”被人們打開(kāi)。光的波粒二象性成為量子理論的基石，人們對(duì)光的本質(zhì)的認(rèn)識(shí)達(dá)成基本共識(shí)。自此，量子理論席卷整個(gè)物理學(xué)界，人類踏入了認(rèn)識(shí)光、探索光的更高階段。
“從伽利略到量子物理，這是一條引人入勝的科學(xué)道路。”阿羅什總結(jié)道，回顧科學(xué)史可見(jiàn)，所有研究者都是站在巨人的肩膀上，不斷修正甚至推翻原有理論，才得以實(shí)現(xiàn)人類認(rèn)知邊界的不斷突破，因此，“科學(xué)研究中沒(méi)有永恒的真理，只有人類對(duì)世界不斷修正的結(jié)論與逐漸深入的認(rèn)識(shí)”。
讓基礎(chǔ)研究與技術(shù)革新
形成良性循環(huán)
如果說(shuō)早期量子理論大都受益于對(duì)光的研究，那么到上世紀(jì)，量子理論則開(kāi)始反哺光學(xué)，推動(dòng)一系列突破性技術(shù)的發(fā)明和革新。
20世紀(jì)初，人們所作的一些如今看來(lái)天真又幼稚的“空想”，如今有許多已成為現(xiàn)實(shí)。現(xiàn)代生活中人們習(xí)以為常的電子計(jì)算機(jī)、核磁共振掃描儀、GPS等等，無(wú)一不以量子理論為基礎(chǔ)。
在這當(dāng)中，激光是20世紀(jì)中期一項(xiàng)劃時(shí)代的成就。激光的本質(zhì)是物質(zhì)的聚變和蒸發(fā)、原子的冷卻和捕獲。激光技術(shù)的發(fā)展，使得光與介質(zhì)相互作用的研究進(jìn)入了一個(gè)全新階段，光的“捕獲”、“存儲(chǔ)”、“囚禁”由不可能變?yōu)榭赡堋?strong>“如果從地球向月球發(fā)射一束激光，再?gòu)脑虑蚍瓷浠貋?lái)，光的相位不會(huì)發(fā)生變化。”阿羅什舉例闡釋激光的超穩(wěn)定性。
激光以其獨(dú)一無(wú)二的特性，廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)和生物學(xué)的基礎(chǔ)研究，以及計(jì)量、醫(yī)學(xué)、通信等領(lǐng)域。例如，429太赫茲的可視量子鐘，可以測(cè)量由于高度差異1mm而導(dǎo)致的速率變化，比GPS時(shí)間還要精確10萬(wàn)倍；再比如，激光干涉引力波天文臺(tái)可以探測(cè)到13億光年外兩個(gè)黑洞的合并產(chǎn)生的引力波，”這是一個(gè)杰作，它可以探測(cè)到直徑小于十億分之一原子直徑的鏡子（相距4公里）的相對(duì)位移”，阿羅什評(píng)價(jià)道。
“基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)之間是共生的。”他總結(jié)道，伽利略望遠(yuǎn)鏡和惠更斯擺鐘的發(fā)明使得空間和時(shí)間的精確測(cè)量成為可能，在此基礎(chǔ)上，光的特性被發(fā)現(xiàn)。人們對(duì)光的新認(rèn)識(shí)，又不斷促成更精確設(shè)備的發(fā)明，基礎(chǔ)研究與技術(shù)革新之間形成的良性循環(huán)，幫助物理學(xué)家更高效、更精確地觀察、證實(shí)或證偽。
如今，第二次量子革命已經(jīng)拉開(kāi)序幕，相較于第一次量子革命“只問(wèn)量子理論能讓我們做什么”，人類現(xiàn)在更多要探究“為什么”，并充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性，利用疊加和糾纏等量子特性，在量子計(jì)量、量子通信、量子模擬、量子計(jì)算等領(lǐng)域大展身手。
未來(lái)，隨著測(cè)量的手段不斷進(jìn)步，基礎(chǔ)研究可以被推進(jìn)到分子級(jí)、原子級(jí)，甚至更細(xì)。阿羅什期待道：“我們也可以使用這樣的研究能力，去探索一些電磁科學(xué)和生物科學(xué)領(lǐng)域最前沿的技術(shù)。”至于量子計(jì)算機(jī)到底何時(shí)能夠出現(xiàn)，阿羅什坦言“真的不知道”，但與“不確定性”共舞，是科學(xué)研究的特點(diǎn)，也是其最美妙之處。
活動(dòng)尾聲，阿羅什與現(xiàn)場(chǎng)聽(tīng)眾互動(dòng)交流，并送出五本自己親筆簽名的新書(shū)《光的探索：從伽利略望遠(yuǎn)鏡到奇異量子世界》。
報(bào)告人簡(jiǎn)介
塞爾日·阿羅什（Serge Haroche）
法國(guó)物理學(xué)家，1944年9月出生于摩洛哥。法蘭西公學(xué)院名譽(yù)教授、法國(guó)科學(xué)院院士、歐洲科學(xué)院院士、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院外籍院士、美國(guó)人文與科學(xué)院外籍院士、巴西科學(xué)院外籍院士。研究方向?yàn)榱孔庸鈱W(xué)和量子信息學(xué)，對(duì)量子光學(xué)中的量子電動(dòng)力學(xué)研究做出過(guò)重要貢獻(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)量子力學(xué)領(lǐng)域享有盛名，被業(yè)內(nèi)譽(yù)為腔量子電動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)奠基人。曾獲法國(guó)物理學(xué)會(huì) GrandPrix Jean Ricard獎(jiǎng)(1983年)，愛(ài)因斯坦激光科學(xué)獎(jiǎng)(1988年)，洪堡獎(jiǎng)(1992年)，富蘭克林研究所 Michelson 獎(jiǎng)?wù)?1993年)，羅馬La Sapienza 大學(xué) Tomassoni獎(jiǎng)(2001年)，歐洲物理學(xué)會(huì)量子電子學(xué)獎(jiǎng)(2002年)，國(guó)際量子通信、測(cè)量和計(jì)算組織的量子通信獎(jiǎng)(2002年)，美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì) Townes 獎(jiǎng)(2007 年)，法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心(CNRS)金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)?2009 年)，德國(guó)物理學(xué)會(huì)和美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì) Herbert Walter 獎(jiǎng)(2010 年)，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)(2012年，與David Wineland 共享)。
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