10月4日,瑞典皇家科学院宣布将诺贝尔物理学奖授予三位科学家,其中的一位利用量子力学解决了描述光的行为的理论;而其他两位则根据这一理论发展了识别原子和分子的激光技术。
在130万美元的奖金中,现年80岁的哈佛大学物理学教授罗伊 · J · 格劳伯(Roy J. Glauber)获得其中的一半,他的计算为量子光学奠定了基础;71岁的美国标准技术研究所和科罗拉多大学的物理学家约翰 · L · 霍尔(John L. Hall)及63岁的德国马克斯-普朗克量子光学研究所研究员、慕尼黑路德维希-马克西米利安大学物理学教授特奥多尔 · W · 亨施(Theodor W. Hänsch)利用超短激光脉冲进行精确测量而分享了另一半奖金。
根据量子力学,亚原子粒子有许多让人难以琢磨的性质。在量子力学中有一条奇怪的规则是说,光有时表现得像波,几乎跟水塘里的波纹一样,而有些时候却又表现得像含有离散的粒子似的,这种离散的粒子就是光子。
早在爱因斯坦那个年代,物理学家们就已经确信光子是存在的,并且发展了一套理论来描述一个或者几个光子如何像撞球一样从物质中弹出来,但对许许多多光子合在一起时表现出来的集体行为就缺乏足够的了解。
格劳伯博士说:“此时的数学变得极其复杂。”他进一步补充道:“人们并不清楚在实验中是否有必要把量子力学明确地考虑进来。”结果,物理学家们仍旧使用19世纪经典光学中的方程——这些方程对大多数牵涉到光的现象进行描述都是很成功的。
“大约在1960年代早期,我想从长远来看,这种处理方式不会一尘不变的。人们最好能够在最大可能的数学范围内发展一套量子理论来描述光的行为。”格劳伯说道。
格劳伯最初对罗伯特 · H · 布朗(Robert Hanbury Brown)和理查德 · Q · 特维斯(Richard Q. Twiss)对天狼星所进行的天文观测着了迷。这两位天文学家利用相距20英尺的两台相同的探测器对天狼星所发出的光子进行计数(当时预期从天狼星发出的光子应当像雨点一样随机地来到地球),但他们在探测器中却发现了一幅到达光子的条纹。
格劳伯及其他人,包括得克萨斯大学教授E · C. · 乔治 · 苏达珊(E. C. George Sudarshan),都力图通过量子力学来解释这一观测现象。格劳伯在1963年所发表的理论显示:在光子到达地球的旅途中会出现一种被称为相干的聚束条纹。
加州理工学院的物理学教授H · 杰夫 · 金伯(H. Jeff Kimble)说,格劳伯把业已存在的电磁量子理论变为一个新的形式:“在此形式下,人们可以清楚地知道怎样把此理论应用于这些其他现象”。
在格劳伯完成其工作前后不久,激光被发明了,他的工作有助于解释电灯泡的漫射光与强激光束之间的差别。他的理论也为利用光来制造量子计算机和量子密码系统,即利用量子力学来产生一种不可破译的密码奠定了基础。
麻省理工学院的物理学教授丹尼尔 · 克莱普勒(Daniel Kleppner)说:“所有这一切的基础来自格劳伯的理论。你可以不必用格劳伯的理论来发明激光,但是要理解激光的性质那就少不了它了。”
几十年后,霍尔博士和亨施博士的工作是建立在格劳伯理论的基础上的。霍尔致力于使用激光来准确测量光的速度。结果在1983年,真空中的光速被精确地定义为299792458米/秒,而1米被定义为光在299792458分之一秒内所传播的距离。
在宣布诺贝尔奖时,瑞典皇家科学院称:霍尔博士和亨施博士的工作导致了一项新技术的产生,这项技术利用激光短脉冲作为一种测量光的颜色或者频率的标尺,其精度可以达到10^15分之一。
亨施在1970年代末最早提出了这项被称为光学频率梳的测量技术。霍尔说,当他第一次看到亨施的论文时,认为那是“天才般的预言,绝对荒谬”,他那时的观点更倾向于荒谬。霍尔说道:“我找不到任何方法来实现那个预言”。
在过去的这些年里,霍尔和亨施所在的实验室时而合作,时而竞争,最后终于取得了突破。霍尔和他的同事们大约在5年前解决了应用光梳技术的最后一道难题。
原子和分子发射或者吸收的光的颜色可以让科学家们识别材料的组成成分,而且这项技术还可以帮助他们制造更加准确的时钟和进行实验,以确定宇宙的基本性质是否随时间而改变。
利用激光的高纯色对光束进行精确的控制,甚至可以为我们提供更好的娱乐设备。亨施对美联社记者说:“我们或许能够享受到三维全息电影为我们带来的乐趣。”
克莱普勒说:“这一工作开辟了光学和光技术中的一个新的前沿领域,它的最终含意我们无从猜测。这听起来好像有些夸张,但我认为这是真的。”