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诺贝尔物理学奖得主:如果能穿越我最想见到爱因斯坦

2012年12月21日08:22新华网
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诺贝尔物理学奖得主:如果能穿越我最想见到爱因斯坦

诺贝尔物理学奖得主:如果能穿越我最想见到爱因斯坦

诺奖得主瓦恩兰与阿罗什

诺贝尔物理学奖得主:如果能穿越我最想见到爱因斯坦

阿罗什。

诺贝尔物理学奖得主:如果能穿越我最想见到爱因斯坦

诺贝尔物理学奖得主:如果能穿越我最想见到爱因斯坦

本报记者与化学奖得主罗伯特·莱夫科维茨。

诺贝尔物理学奖得主:如果能穿越我最想见到爱因斯坦


  本报记者专访2012年诺贝尔物理学奖得主戴维·瓦恩兰:

  量子世界,特别是光子与离子或许很难理解。

  但对于美剧《生活大爆炸》,讲述一群物理学家的喜剧你可能并不陌生。对2012年诺贝尔物理学奖得主、美国物理学家戴维·瓦恩兰来说,和妻子每周坐在电视机旁看《生活大爆炸》,是实验之余闲暇的一种享受。实际上,谢尔顿(《生活大爆炸》主人公)常挂在嘴边和写在卧室黑板上的“薛定谔的猫”、“量子力学”等概念,正是今年诺贝尔物理学奖得主的研究领域。瑞典皇家科学院甚至表示这一物理研究成果使得更加快速的计算机量子计算机在本世纪内得到实际应用。

  当记者问及真实的物理学家生活是否像谢尔顿时,这名神似谢尔顿的诺贝尔奖得主、美国国家标准与技术研究院离子储存组组长,露出了他习惯性害羞的红色面庞,笑着说“那是喜剧,我的生活主要在科学研究上”。

  人如其名

  “酒地”的红脸科学家

  戴维·瓦恩兰(David Wineland)(以下简称瓦恩兰)是一个在公众场合不善言辞的科学家。

  在诺贝尔物理学奖记者见面会上,几乎所有非科学研究的提问都由与他一起获奖的法国科学家塞尔日·阿罗什来负责回答。甚至有记者点名要求瓦恩兰单独回答时,他的脸庞就因紧张害羞而变红,回答不仅异常简短,而且还停下来沉思片刻,远不如经济学奖得主罗斯等人的侃侃而谈。

  有记者私下说,瓦恩兰的红脸正应了他的姓氏“Wineland”的直译红酒之地。

  然而,随着在诺贝尔奖活动周的接触增多,愈发觉得物理学家瓦恩兰是一个非常和善的人。只要没有狂闪的镁光灯和被“晾”在台上被轰炸提问,瓦恩兰其实特别愿意与人交流。

  特别是在斯德哥尔摩大学演讲厅,按照惯例,所有诺贝尔科学奖得主都要面向公众通俗简明地介绍自己获奖的研究成果,“红脸”的瓦恩兰的讲解不仅通俗流畅,思路清晰,甚至还不时来点冷幽默调侃自己,引发听众共鸣。

  获奖演讲

  从“薛定谔的猫”说起

  现年68岁的瓦恩兰出生于美国,1970年在美国哈佛大学取得物理学博士学位,现任美国科罗拉多大学波德分校教授、美国国家标准技术研究所研究员和离子储存组组长。

  该研究所在美国物理学界久负盛名,在过去的15年里已经有3名研究人员分别获得了1997年、2001年和2005年的诺贝尔物理学奖,也是美国政府试验室中获得诺贝尔奖最多的一个实验室。

  如何阐释今年诺贝尔奖物理学研究的成就?瑞典皇家科学院给的获奖理由是“提出了突破性的实验方法,使测量和操控单个量子体系成为可能”。然而,在瓦恩兰和阿罗什面对公众演讲中,他们却选择了一个非常直观又引发公众兴趣的实验从“薛定谔的猫”说起。

  按照物理学理论,我们生活在牛顿所说的经典世界,这是一个确定性的宏观世界。而量子世界,包括离子与光子则是属于不确定的微观世界。比如,当一只猫被放在一个封闭看不见的盒子里并有毒药缓慢散发时,如何在不打开盒子的状态下,宏观世界的我们判定猫是死还是活就是一个问题。而在获得答案前,按照量子力学说法,这只猫的状态非生非死,而是“生与死的叠加状态”,即“薛定谔的猫”的状态。

  结尾温馨致辞

  感谢合作25年的伙伴

  在火爆的美剧《生活大爆炸》中,谢尔顿也曾用“薛定谔的猫”来向女主人公佩妮解释他所处的爱情状态“是生是死并不确定”。

  一旦有人在不打开盒子的情况下,了解“薛定谔的猫”状态,也就是解决了处于宏观世界的人类如何才能有效操控微观世界的量子问题。

  光子和离子是光与物质的最小单位。2004年,瓦恩兰的著名实验就是在不破坏离子状态的情况下,用激光冷却技术将微小的离子好像玻璃球一样放在带电的离子阱(Ion trap)上。这不仅奠定了他作为量子计算的实验奠基者地位,也使他获得了2007年的美国国家科学奖和今年的诺贝尔奖。

  在瓦恩兰的演讲最后,他意外地展示出了他们夫妇与阿罗什夫妇一起看话剧的合照,这比其他诺贝尔奖得主在演讲结尾中惯用的感谢团队与科学赞助商更为温馨。因为他和阿罗什在量子光学领域已经合作了25年。

  “感谢我和阿罗什一起度过的美好时光。”他说。

  薛定谔的猫

  薛定谔(E.Schrodinger)是奥地利物理学家、量子力学的创始人之一,曾获1933年诺贝尔物理学奖。他曾提起量子力学领域的经典实验假设:把一只猫放进一个不透明的盒子里,然后把这个盒子连接到一个包含一个放射性原子核和一个装有有毒气体的容器的实验装置。设想这个放射性原子核在一个小时内有50%的可能性发生衰变。如果发生衰变,它将会发射出一个粒子,而发射出的这个粒子将会触发这个实验装置,打开装有毒气的容器,从而杀死这只猫。

  然而关在密闭盒子里的猫,由于量子状态的不确定性,人们永远不知道它是活着还是死亡。

  对话

  中学时学业吃力后来变好了

  广州日报:您曾梦想过有一天会获诺贝尔奖吗?

  瓦恩兰:不,我从来没想到过。通知获奖时我正在睡觉,电话是我太太接的。得奖对我是个意外,真的不敢相信。

  广州日报:有人说诺贝尔奖得主,特别是科学奖的得主都智力超群,您怎么看?

  瓦恩兰:其实,我就不是。我的父母和孩子都是智商特别高的人,但我并不突出。起码在我上中学的时候,我的学业曾非常吃力,让老师和家人担心。我从来不是班上优秀的学生。但后来,我变好了。(笑)

  广州日报:很多普通人特别感兴趣如何教育孩子培养爱好,您有什么心得?

  瓦恩兰:爱好与兴趣是天然的,我的父母并没有刻意培养我。我对物理的兴趣也是自发的。

  广州日报:我注意到您和阿罗什在演讲中都不约而同提到了“薛定谔的猫”,这是为什么?

  瓦恩兰:这是量子力学的研究基础与问题源头。在研究成果演讲中,通常要梳理先前科学家的研究与成果,而“薛定谔的猫”是必须提及的。我们研究的就是这个猫的状态。

  广州日报:请简单介绍下您的研究给普通人的生活带来哪些便利?

  瓦恩兰:我的研究主要在光子的物质材料方面,比如半导体材料方面。被捕获的离子,可以用来制造出世界上最精确的时钟。相比此前的铯原子钟,离子时钟将具有高达100倍的更惊人的精确度,从宇宙诞生至今137亿年的时间里,离子钟只有5秒误差。正如我此前对媒体表示的,有更好的时钟,就意味着有更好的导航能力。新的标准时间会被重新定义。

  广州日报:今年是理查·费曼提出“量子计算机”的概念的第30年,您怎样看量子计算机的未来?

  瓦恩兰:这是外界关心的焦点。从目前研究看,“量子计算机”转化为普遍应用还需要一个很长的阶段,这个时间是不确定的,我很难回答。但在未来10~15年,小型的,并不是完整意义上的“量子计算机”有可能面世。我相信在我有生之年,会看得到。

  广州日报:您是来自美国的物理学家,您会看《生活大爆炸》吗?

  瓦恩兰:The Big Bang?(脸红发笑)是的,我会在每周闲暇时陪我妻子一起看,她一直在追那部喜剧。在美国很流行,原来你们也会看。

  广州日报:您喜欢谢尔顿吗?真实的物理学家生活是怎样?都是科学怪人吗?

  瓦恩兰:谈不上喜欢他,但我知道他。其实我看的也不多,那是喜剧,是我闲暇时的一种活动。我的时间与精力主要在实验研究上。

  广州日报:您曾到过中国吗?对中国在该领域的科学家有何评价?

  瓦恩兰:我还没到过中国,合作的也比较少,抱歉,很难评价。

  广州日报:假如可以穿越,在所有您未见过的诺贝尔奖得主中,您最想见谁?

  瓦恩兰:这是个有意思的问题。当然是阿尔伯特·爱因斯坦,他是最伟大的科学家之一。

  广州日报:那您想跟爱因斯坦说什么?

  瓦恩兰:早在一百年前,爱因斯坦就曾梦想把光子困在盒子里来观察。我想跟爱因斯坦说,我们的研究完成了他的梦想,甚至超出了他的计划。我想向他介绍现在研究的领域与实验器材,他肯定会大吃一惊。或许我可以邀请他来实验室一起午餐,有很多聊不完的话题。

  本报记者专访2012年诺贝尔物理学奖得主塞尔日·阿罗什:

  捉光的舞蹈大师

  天才实验操控量子

  在瑞典时间12月11日晚的诺贝尔奖晚宴上,坐在瑞典王后身旁的法国科学家塞尔日·阿罗什(Serge Haroche)受到了格外瞩目。这不仅因为按照诺贝尔奖的颁奖顺序“物理、化学、生物、文学、经济”,他将第一个上台发表感谢致辞,也因为阿罗什是在8名诺贝尔奖科学类获奖者中唯一的一名非美国籍科学家。

  甚至在颁奖典礼前的4小时,阿罗什还和家人坐在下榻的饭店GRAND HOTEL的咖啡厅里,而不是像其他诺贝尔奖获奖者选择和家人朋友一起,偷闲逛逛美丽的老城区Gamla Stan。

  他对本报记者说,这是法国人通常的休闲放松时间,不希望被打扰。而且彼时,他正反复在心里演练获奖的感谢词。

  毫不掩饰对诺奖的渴望

  能言成“新闻代言人”

  相比合作伙伴戴维·瓦恩兰,塞尔日·阿罗什是一个锋芒毕露的法国科学家。

  在诺贝尔奖“物理、化学、生物、经济”获奖者的首次记者见面会上,他讲着一口流利,略带着法国口音的英语,对于记者提出的刁钻的提问来者不拒,并非常乐意替其他获奖者解围。

  实际上,在首场半小时的记者提问会上,阿罗什就回答了至少一半以上的问题,成为除经济学奖得主罗斯外,其他诺贝尔奖得主名副其实的“新闻代言人”。

  但他的犀利回答方式也赢得了到场媒体的好感。比如,在提问“您是何时想到会获诺贝尔奖时?”阿罗什说,在他的实验研究过程中,至少有3到4次,实验成功的时候就觉得这已够获得诺贝尔奖的成果。他毫不掩饰自己对诺贝尔奖的渴望与获得,他说,“自己一生中肯定会获得诺贝尔奖,而在今年多次期盼后,终于来了。”

  用不同方法获得光子

  成法国第55位诺奖得主

  阿罗什出生在摩洛哥的卡萨布兰卡,后成为法国公民,并在以法国著名的诺贝尔奖得主命名的“皮埃尔与玛丽·居里大学”(巴黎第六大学)获得物理学博士学位。在1996年,阿罗什在巴黎高等师范学院与同事合作进行了实验观察,发现了量子相干性,获得1992年洪堡奖。这一次,阿罗什的获奖,也使他成为法国历史上第55位诺贝尔奖获得者。

  实际上,在量子力学通往光与个别粒子的极小规模研究中,在两人获奖前,就有激光冷却原子原理提出者等科学家获奖。

  但在单个层次上研究光和物质,挑选、操控、测量个别光子和离子的实际操作方法却是首次。因此,在诺贝尔奖的物理学奖演讲简介中,阿罗什和瓦恩兰被称为捕捉光与物质的“舞蹈大师”。

  但阿罗什获得光子的方式却与瓦恩兰获得离子的方式不同。阿罗什说,他和他的2个团队主要是利用微米量级的高反射光学微腔实现了单个原子的辐射光子的操作。或者可以简单概括为:原子通过一个由两块曲铌镜组成的“腔空间”里,来控制和测量被困的光子。

  打开量子计算机之门

  10亿年解码或只需1分钟

  正如在瑞典皇家科学院的新闻公告中提到,“通过天才的实验方法,他们已经能够测量和操控非常脆弱的量子态,使他们的研究领域向着建造基于量子物理学的新型超快计算机迈出了最初的一步。”

  新型的量子计算机能带来什么?

  1942年,第二次世界大战中太平洋战役的转折点中途岛战役,就是因为美国与联军的情报处破译了日本海军进攻中途岛的计划,导致拥有优势兵力的日本联合舰队惨败。而一旦随着量子计算机(quantum computer)的应用与发展,像中途岛作战计划之类的“密电”,破译将更轻而易举。

  一个简易的比方是,目前传统采用硅芯片的超级计算机需要运作10亿年才能破解的密码,在用量子计算机可能只需要1分钟。计算速率将大大加快,但泄密风险也随之加大。

  虽然外界对量子计算机前景充满期待,但作为开启“量子计算机”研究之门的阿罗什却并不乐观。

  量子计算机

  简单来说就是利用量子携带信息、存储数据,遵循量子算法进行高速的数学和逻辑运算的物理设备。相比目前电脑使用的“心脏”硅芯片,如果用量子作芯片,计算速度与容积量将大大增加。而在美国《科学》杂志上,曾有英国的研究学者称已成功研发出一种可用于量子计算的硅芯片,利用这种芯片技术,10年内可能就会研制出超越传统计算机的量子计算机。

  对话

  荣誉是200人团队努力得来

  广州日报:能给普通人简明介绍一下您的研究领域吗?

  阿罗什:我的实验研究主要是,在不破坏光子情况下,量度单颗光子的方法。我们的实验团队将光子放在两块由超导体制成、温度比绝对零度稍高的镜片形成的空穴中,光子可在其中来回反弹长达十分之一秒。其后用比普通原子大一千倍的里德堡原子,通过两片镜片之间的空隙。这主要是在光子与量子力学领域的研究。

  广州日报:作为法国第55位诺贝尔奖得主,您获得诺贝尔奖的最大感受是什么?

  阿罗什:这不仅是我一个人的荣誉。诺贝尔奖的规则,(一个奖项)最多只能有三个人获奖,很难被更多的人分享。但我总是想对外强调,我们的工作是两个团队、至少有近200个优秀的科学家,一起艰苦地努力而完成的。

  广州日报:与美国科学家相比,您觉得在科研环境上法国与美国有何不同?

  阿罗什:我也曾到美国交流过。世界上的科学家需要的都是轻松的学术气氛,充裕的研究经费,精良的设备和良好的团队。在法国,这方面所做的努力还不够,政府和科学机构还需要更大的支持。

  广州日报:公众应怎样支持科学?

  阿罗什:我认为公众和媒体的力量不应被科学家忽略。只有公众支持、关注,科学家的研究环境才有可能改善。

  广州日报:今年是“量子计算机”概念提出的30年纪念,您能简单介绍一下量子计算机的运作原理吗?

  阿罗什:像在演讲中讲到的“薛定谔的猫”状态一样,量子位元可是0或1,或同时是0和1,这是量子计算机运作原理。(编注:现在的计算机采用二进制代码,仅使用0或1两种字元。因而相比之下,量子计算机的速率将大大加快)

  广州日报:瑞典皇家学院在新闻公告中曾乐观预测“量子计算机”在本世纪有望面世,您能给出具体时间吗?

  阿罗什:我认为“量子计算机”的研究还只是在概念层面。我们目前的研究成果只是打开了通往制造“量子计算机”路上的第一扇门。未来需要多长时间,我不知道,也无法预测。

  包括媒体常报道的小型“量子计算机”的未来,我只能说不清楚具体时间。我认为,在我的生命中,并不能看到“量子计算机”的面世,包括小型“量子计算机”。

  广州日报:您确认看不到“量子计算机”面世?瓦恩兰教授对此还是很乐观。

  阿罗什:是的,我觉得在有生之年并不能看到“量子计算机”面世。

  花絮诺贝尔奖周记

  诺奖得主偷闲聚会

  18位历届得主齐聚一厅

  从瑞典时间12月5日到12月12日,是今年诺贝尔奖的活动周。

  在这7天的时间里,所有有关诺贝尔奖的一切活动,比如新闻发布会、演讲、颁奖典礼、晚宴、访问都要集中进行。实际上,从早到晚的繁忙行程与应接不暇的活动,令诺贝尔奖得主和来访记者都感到前所未有的“疲劳”。

  相对休闲的是12月10日。当天的任务就一个颁奖典礼和晚宴。而后,获奖者还要继续每天演讲、讨论的紧凑行程,然后回国。

  这一天中午,记者来到诺贝尔奖获得者下榻的GRAND HOTEL饭店,进行预约的专访。专访后突然发现,咖啡厅和大厅内居然都是历届的诺贝尔奖的获得者。由于此次前来的历届诺贝尔奖得主多达18位,短短几分钟内,记者一辈子见过的最多诺贝尔奖得主的情景就发生了。

  首先,是3名既往的诺贝尔奖生物医药学得主,向本届的化学奖得主布莱恩·卡比尔卡((Brian K. Kobilka)表示祝贺,因为卡比尔卡此前也是医生,他研究的成果得益于他的医学背景。

  接着是化学奖得主罗伯特·莱夫科维茨和家人,穿着普通便装。相比演讲中的严谨,莱夫科维茨在平时更活泼,在亲友围成一圈的注视下,他先后三次演练了获奖时对瑞典国王和王后的感谢话和向三个方向的鞠躬礼节。

  物理学奖得主戴维·瓦恩兰则一脸轻松从大门进来。他一早便出去开始多日来的首次私人游览时间。穿着便衣棉服的他,白色的胡子与被冻红的脸和帽子上的雪花像极了“圣诞老人”。他说自己今晚不用上台演讲,轻松享受一晚。

  而在咖啡厅里,物理学奖得主阿罗什在紧张地筹备着感谢讲话,他说感谢词向来是秘密。

  探访“金色和平”

  诺奖文学奖评委会餐厅

  在瑞典斯德哥尔摩老城,有一间并不显眼的餐厅DEN GYLDENE FREDEN,共有地上和地下两层。然而,它却是吉尼斯世界纪录上,瑞典有记载以来最古老的餐厅。

  因为自1721年开业以来,这间餐厅的环境几乎保持不变。如果翻译为中文,这间餐厅名字叫做“金色和平”。这得名于著名的1721年尼斯塔德条约,俄国赢得了多数波罗的海东部的省份,但是奇怪的,也是让瑞典狂喜的是让瑞典保有芬兰,这被称之为“金色和平”。

  另外,这间餐厅特别之处在于,从1920年开始,它就属于在600米外的瑞典学院所有。相传,每周四晚上,诺贝尔文学奖委员会的委员会在这里的地下一层的一个专门房间里就餐,很多诺贝尔奖的文学奖得主也是在晚餐聚会中讨论产生的。这一说法,也得到了诺贝尔文学奖委员会主席佩尔·韦斯特伯格(Per Wastberg)的肯定。

  餐厅的资深服务员说,这里的历史传统和诺贝尔奖风格都被良好地保留下来。比如餐厅的伏特加就是酒庄为餐厅特制,用瑞典与俄罗斯边境的原材料,按照俄罗斯的方法酿成的金色伏特加。

  “一方面这是餐厅历史得名而来,另一方面也是为了纪念诺贝尔。诺贝尔在俄罗斯长大,他的家族在俄罗斯也有生意往来。”服务员解释。(文、图/本报记者王丹阳)

  (广州日报 王丹阳)

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