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大江東丨走近科學大咖⑨阿羅什:追光游戲,捉住那隻“薛定諤的貓”

大江東-復旦融媒體創新工作室 葉雨晨 周好雨 楊源 楊馨蕊 曹玲娟
2024年11月01日10:45 | 來源:人民網-人民日報
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“我上周到西安,看到好多文物,也聽到一些考古學家的故事。”塞爾日·阿羅什的眼光越過鏡片上緣投向空中,似乎一瞬間進入了平行時空,“特別有趣——如果我不做物理學家,也許會從事考古。”

在這位2012年諾貝爾物理學獎得主的心中,一件事是否有趣、是否能引起好奇,是最重要的“擇業標准”。

塞爾日·阿羅什在2024世界頂尖科學家論壇接受大江東-復旦融媒體創新工作室採訪。周好雨攝

“奇妙而豐富的游樂場”

塞爾日·阿羅什從不認為科學研究有什麼“苦大仇深”,更覺得這是某種探索類游戲。

衛生間牆上貼了多少塊瓷磚?正方形對角線有多長?阿羅什從記事起,就對數字有一種天然的痴迷,一度執著地想測量他見到的各種對象中蘊含的數字元素。

瞧瞧,世界是多麼奇妙而豐富的游樂場。

今年80歲的阿羅什,高中時期是“第一顆人造衛星的時代”,當時,他嘗試用數學方法測算出火箭逃逸速度、軌道上衛星的周期以及行星表面的引力場。他不糾結“目的”,只是好奇衛星為什麼能“乖乖聽話”繞地飛行。

“小時候常去巴黎的發現宮。”他像談到了自己最喜歡的玩具屋,用手比劃著試圖讓我們理解發現宮裡測量π的實驗裝置有多奇妙:“牆上寫著π的數值,小數點后的數字構成了一串長長的螺旋形狀。這串數字無限延伸,並沒有任何規律和明顯的重復性,讓我非常著迷。”阿羅什疑惑,這個數值,“怎麼能夠被如此精准地測量呢?”

他清晰地聽到了來自內心的召喚:我想成為一名科學家。

他以全國第一的成績,進入學術氛圍濃厚的巴黎高等師范學院。在這裡,他聆聽阿爾弗雷德·卡斯特勒、讓·布羅塞爾和克洛德·科恩-塔諾季三位杰出物理學家的講述,如飢似渴地閱讀《量子力學》《核磁原理》和《費曼物理學講義》。他找到了最向往的那片寶藏——原子的世界。

原子和光子是近乎詩意的存在,阿羅什說,“它遵循了一些反直覺的量子物理學規則。這是一種無法抗拒的吸引。”

捉住“薛定諤的貓”

拿到博士學位,塞爾日·阿羅什跨越大西洋,前往斯坦福大學,成為激光物理學先驅阿瑟·肖洛實驗室的博士后,與首批可調諧激光器等做伴。和這些“神奇玩具”在一起,他說自己“玩得很開心”。

1973年,他回到巴黎高等師范學院建立自己的實驗室,和研究團隊利用超導腔研究了微波光子的長時間存儲,並用裡德堡原子操控光子。他們觀察到了量子糾纏現象,並成功實現了量子非破壞測量,馴服了那隻著名的“薛定諤的貓”。

“薛定諤的貓”,是物理學家薛定諤於1935年提出的有關貓生死疊加的著名思想實驗。阿羅什被公認是一個將“薛定諤的貓”做到諾獎級別的物理學家。2012年,他與美國物理學家大衛·維因蘭德因“突破性的試驗方法使得測量和操縱單個量子系統成為可能”,獲得諾貝爾物理學獎——那隻困擾物理學界多年的“薛定諤的貓”,在現實中被“捉”住了!

阿羅什說,自己生在一個幸運的時代——激光的發明,開啟了光子物理學研究的大門。

“通過激光捕獲原子,可以在微觀世界創造一個異常‘冷靜’的角落,對懸浮在空間近乎不動的原子進行研究。”在此基礎上,阿羅什對單個量子進行操縱,解開了量子很多奇怪屬性,比如在同一個時間點有兩個不同的狀態,兩個狀態的結果彼此疊加、互相干涉,一個狀態改變會促使另一個狀態改變——這就是“薛定諤的貓”。

“人們沒有能力使用單獨的量子系統驗証時,一隻又死又活的貓,就成了薛定諤的思想實驗所推導出的荒謬結論。”而阿羅什成功馴服了原子和光子,觀察到量子疊加和退相干,彌補了量子世界和經典世界之間的重要過渡環節。而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。

“光的傳遞,無遠弗屆”

“師徒三代諾獎”,是有關塞爾日·阿羅什的傳奇。

1966年,20歲的阿羅什進入巴黎高等師范學院的卡斯特勒-布羅塞爾實驗室。這間實驗室人才濟濟,在阿羅什之前,卡斯特勒在1966年獨享諾貝爾物理學獎,布羅塞爾則是法國量子光學學派的奠基人。

“我非常幸運在這樣的環境受熏陶。你要做科學,必須要和一支才華橫溢的科學家團體為伍。”阿羅什說。

1966年10月,在卡斯特勒被宣布獲得諾貝爾獎的那天,巴黎高等師范學院的赫茲光譜實驗室(后更名為卡斯特勒-布羅塞爾實驗室)的合照。從左到右:法蘭克·拉洛、克洛德·科恩-塔諾季、阿爾弗雷德·卡斯特勒、塞爾日·阿羅什、尚·布羅塞爾和阿蘭·奧蒙特。圖片來自《光的探索》

做了老師,阿羅什延續了實驗室的傳統,和他的同事、學生一同分享有趣的成果,開誠布公討論失敗。“我希望對我的學生來說,我這位導師做得和我自己的導師一樣好。”阿羅什教授攤開雙手,露出一個略帶羞澀的笑容。

“你的腔量子電動力學實驗到底是在做什麼?”

“你想象一個真空的空間,我們把原子一個接一個注入……我們觀察到,在一定條件下,出射的原子會進行規律地振蕩。”說到這裡,阿羅什抬起雙手,兩根食指快速交叉,好像要在空氣中劃出一張網來,“中國人常常打乒乓球,原子的那種振蕩就像乒乓球——接觸到台面,又彈跳起來,如此反復。”

阿羅什總能撥開物理學那神秘龐雜的專有名詞叢林,為“小白”們指出一條明亮的思路。

他走進世界各地高校,向年輕學子講述他與光的奇遇﹔在抖音、今日頭條做直播,與中國網友談論神秘莫測的量子世界﹔撰寫《光的探索——從伽利略望遠鏡到奇異量子世界》,試圖通俗講述人類的“追光”史……

“量子光學的發展需要了解,需要交流。”阿羅什強調,所有基礎科學的發展需要一代代科研工作者的接續努力,“每一個此刻的新技術、新發現,都將為下一個新技術、新發現做出貢獻。”

“讓基礎研究科學家安心工作”

“我們生活在一個科學進步令人眼花繚亂的時代,科學創新速度前所未有。但同時我們也生活在一個大眾對科學知之甚少的時代。”這是塞爾日·阿羅什的擔心。

在2023年第六屆世界頂尖科學家論壇開幕式主旨演講環節,阿羅什曾發表“論當今復雜世界中科學面臨的挑戰”的演講,認為“要是我們用科研KPI評價愛因斯坦,他遠不配成為世界上最好的物理學家”,並指出,“犧牲基礎研究長期性,過度關注短期利益的應用研究,可能會阻斷顛覆式創新發展的可能性。”

他一直強調“藍天研究”的重要性——意指“無用”的基礎研究。他說,“ 關於宇宙的科學,與任何直接應用都沒有聯系,本質上講它們都是‘無用’的。”

塞爾日·阿羅什在華東師范大學與師生交流。華東師范大學供圖

阿羅什一直強調,要平衡基礎研究與應用研究的關系,讓基礎研究科學家安心工作。

阿羅什回憶起在卡斯特勒-布羅塞爾實驗室的時光:導師會引導新學生在各種實驗裡發現興趣所在。一旦學生明確了自己的方向,導師就會充分尊重他們的選擇——“布羅塞爾從不強求我們按照某個既定目的,去做‘有用的’實驗。”曾在這個實驗室學習的華東師范大學量子科學與精密測量研究院博士后吳海騰說,“在這個實驗室做博士相對自由,導師會給予清晰的引導,接下來的四五年,你就去做該做、想做的事,是否發文章不是畢業硬指標,隻要你扎扎實實努力過,為實驗室增加了積澱,教授就覺得你可以畢業了。”

在阿羅什看來,科學面臨的另一個挑戰,是反全球化,“我們必須維護科學的全球性,西方科學家與中國科學家必須保持緊密聯系。”

塞爾日·阿羅什在2024世界頂尖科學家論壇上與參會者交流。主辦方供圖

他說,危機和挑戰可能引發非理性,但科學家必須始終堅守科學的價值觀。在動蕩而困苦的時代,科學家仍堅定而努力地拓展人類知識邊界,這是人類發展的永恆動力。

“我的人生,不隻有量子物理”

從孩童時期起,阿羅什就和兄弟們一起閱讀,一起去博物館,討論從古代歷史、文學藝術到現代政治的各種問題。

阿羅什接受大江東-復旦融媒體創新工作室採訪。周好雨攝

阿羅什認為,科學和人文藝術有很多相似之處,都是在追求“神秘而有趣的東西”。他說:“歷史上那些科技最為繁榮和活躍的時期,往往也是科學家能和藝術家、哲學家或社會學家自由交流的時期,這大大推動了創新和基礎研究。”愛因斯坦、笛卡爾等頂尖科學家,也曾是人文、藝術領域的研究者。阿羅什也是如此。

“我經常去看音樂表演。我也很喜歡15、16和17世紀意大利的畫家,例如提香和米開朗基羅。我很好的朋友是音樂家。我會聽音樂來解壓。”

“優秀科學家也應了解人文學科。”阿羅什在2020年第三屆頂尖科學家論壇上這樣說。他認為,從意大利文藝復興到德國量子崛起,隻有學術自由才能有批判性思維,才能不斷迸發創造力,科學才能成為超越性的全球創造活動。

得知大江東-復旦融媒體創新工作室的成員都是文科學生,阿羅什饒有興趣地關心起中國大學文科課程安排,挺直脊背認真地問道:“你們日常課程安排,會有和基礎科學或應用技術相關的科目嗎?”得到肯定的答復,他才重又放鬆地靠回椅背,篤定地說,“理當如此。”

報道統籌:李泓冰

採寫指導:人民日報記者曹玲娟

採訪寫作:復旦大學新聞學院學生葉雨晨、周好雨、楊源、楊馨蕊

視頻採制:葉雨晨、楊源、楊馨蕊、周好雨

(來源:大江東-復旦融媒體創新工作室 葉雨晨)

(責編:沐一帆、軒召強)

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