設個陷阱捉粒子

在野外挖個陷阱，一些野生動物就可能陷在其中難以逃脫。這是一種常見的捕捉野生動物的方法。這種方法看似十分古老且平常，卻可以用于尖端的量子物理學研究領域。2012年10月9日，來自法國和美國的兩名“粒子獵手”一起獲得了2012年諾貝爾物理學獎。他們采用的就是設置陷阱的方法來捕捉粒子，只不過要設置這樣一個高科技陷阱，可比在野外挖坑難多了。

所謂粒子，是指能夠以自由狀態存在的最小物質組分。科學家最早發現的粒子是電子和質子，1932年又發現中子，確認原子由電子、質子和中子組成。以后這類粒子發現得越來越多，累計已超過幾百種，且還有不斷增多的趨勢。后來，科學家還發現，微觀世界的粒子所遵循的物理規律和宏觀世界有所差異。宏觀世界的能量是連續的，而微觀世界的能量是按照最小的單元跳躍式增長。這種能量的最小單元稱為量子，在此基礎上建立起來的物理學稱為量子物理學。

我們知道，在傳統物理學領域，我們要了解某個物體的特征，可以直接觀測單個的物體。比如，我們要總結滾動摩擦的特性，可以用一輛帶輪子的小車來做實驗。但是，量子物理學家不直接觀測單個粒子的微觀量子特征，而是先觀測一片粒子的宏觀活動，然后推測出這些粒子的微觀量子特征。這是因為單個粒子實在太小且太活潑了，找到單個的粒子很不容易；即使找到它們，它們也不會按照某種規律停留在某個地方或某個軌跡上。

于是，科學家自然而然就想到設置個陷阱去困住這些粒子。這個思路聽起來很簡單，但是，設置這個陷阱卻是個高難度的事情，一度被科學界認為是不可能的事情。法國物理學家賽日爾·哈羅什率先完成了這個似乎不可能完成的任務。從1990年開始，他就在設法完成這個任務。最終，他在接近絕對零度（-273℃）的溫度條件下，用兩個高性能超導體充當的反光鏡組成了一個光學陷阱。這種陷阱的科學術語為高反射光學微腔，或光子阱。

接下來，哈羅什成功地把一些光子引入到光子阱中。這些光子被困在反光鏡陷阱中的時間僅僅為0.1秒。這個時間對我們普通人來說實在太短了，也不過一眨眼的工夫。但是，對于量子物理學家來說，這個時間已經足夠長了。這期間，光子不斷反彈的總移動距離高達3萬千米，足以做很多測量和操控動作。哈羅什就是抓住了這個轉瞬即逝的機會，將一個極為活躍的“里德博原子”送入“陷阱”中作為探針。這個原子在捕獲光子后，將單個光子的量子信息呈現出來，就如同X光描繪出人體的內部構造—樣。

雖然哈羅什早在20年前就設置出光子阱，但是他一直堅持從事這個領域的研究，并不斷獲得新的突破。2011年，哈羅什在光子阱實驗中引入反饋機制。當發現光子阱中的光子數變少時，他就注入新光子，令光子阱中保持固定數目的光子。采用這樣的方法，就好像把一些光子永久地困在了光子阱中，這超越了愛因斯坦希望光子困住幾秒的設想。

在哈羅什的實驗中，光子是被囚禁的粒子，原子是探針。而美國科學家大衛·維因蘭德設計的實驗正好與之相反，他把離子（即帶電的原子）囚禁起來，用光子作為探針去探測和操控它。哈羅什用光學陷阱來囚禁光子，維因蘭德則用電磁場作為陷阱囚禁離子，這個陷阱的科學術語因此稱為離子阱。為了確保被囚禁的是單個離子，這個實驗需要在超高真空和超低溫的條件下進行，這又是一個超級苛刻的要求。最終，維因蘭德完成了對單個離子的囚禁，測得了單離子的量子信息。

目前，離子阱和光子阱已被廣泛應用于科學和技術研究的各個領域。尤其是近幾十年來，人們以離子阱為工具，把激光冷卻技術應用于離子阱，為精密測量、制造新材料、觀察新現象、獲得新知識提供了廣泛的實驗基礎。

離子阱的研究還可以用來建造超高精度的原子鐘。在這種新型的原子鐘里，科學家用囚禁起來的離子取代了傳統原子鐘所采用的銫原子。目前，這種新型時鐘已經達到了比傳統銫原子鐘高兩個數量級的精度。在那樣的精度下，哪怕從宇宙大爆炸之初開始計時，迄今的累計誤差也只有區區幾秒。

和實現精密的測量、制造更精確的原子鐘相比，諾貝爾評獎委員會認可哈羅什和維因蘭德的原因，是他們開啟了量子計算機時代的大門。由于量子計算機在理論上要比現有的計算機快上成千上萬倍，人們十分期盼它能盡快變為現實。量子計算機研究面臨的難題之一就是如何操控單粒子的量子狀態，而兩位科學家的研究讓量子計算機的理論基礎變得扎實起來。目前，科學家最樂觀的預測是10年后才出現量子計算機。雖然量子計算機離實用還比較遙遠，但是那一天一旦來到，新的技術革命也將隨之出現。

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2012年度諾貝爾物理學獎獲得者簡介

賽日爾·哈羅什，1944年生于摩洛哥的卡薩布蘭卡，現為法國籍。他1971年在巴黎第六大學獲得博士學位，現為法蘭西學院和巴黎高等師范學院教授。

大衛·維因蘭德，1944年生于美國的密爾沃基，1970年在哈佛大學獲得博士學位，現任職于美國國家標準與技術研究所和科羅拉多大學博爾德分校。