2012年诺贝尔物理学奖

2012年诺贝尔物理学奖

2012年物理学奖，由两位物理学家分享，他们是美国的大卫·维因兰德（David Wineland）和法国的塞尔日•阿罗什（Serge Haroche）。获奖理由是他们创造的突破性的试验方法使得测量和操纵单个量子系统成为可能。

大卫·维因兰德（David Wineland，1944—），出生于美国威斯康辛州密尔沃基。1961年，从加州沙加缅度的恩忻娜高中（Encina High School）毕业。进入加州大学柏克利分校读本科，1965年得到学士学位。之后，他以优异成绩转入哈佛大学攻读博士学位，导师是诺曼·拉姆齐（1989年诺贝尔物理学奖得主）。1970年获得博士学位。之后加入汉斯·德默尔特（1989年诺贝尔物理学奖得主）的研究团队，在华盛顿大学做博士后。1975年，美国国家标准技术研究所聘请他为物理研究员。在那里，他成为离子储存团队的领导人。应用激光冷却离子技术，该团队制做出至2012年为止最准确的原子钟，比铯-133原子钟的频率标准还要精确两个数量级。

塞尔日•阿罗什（Serge Haroche，1944—），出生于摩洛哥的卡萨布兰卡，法国公民。1967年毕业于巴黎高等师范学校。1971年从巴黎第六大学（皮埃尔与玛丽·居里大学）获得博士学位，进入法国国家科学研究中心工作。1975年后先后任皮埃尔与玛丽·居里大学物理学教授、巴黎高等师范学校教授、法兰西大学教授、量子物理学会主席。

对于大众来说，2012年物理学最重大的发现应该是欧洲核子中心（CERN）运行的大型重子对撞机（LHC）发现了粒子

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物理学家们寻找了几十年的“希格斯玻色子”，因此，英国科学家皮特·希格斯（Peter Higgs）获得本年度的诺贝尔物理学奖似乎是“众望所归”。但希格斯教授未获今年诺贝尔奖的原因也很容易理解：每年诺贝尔奖的提名在当年的2月份就截止了，而彼时尚未确定发现希格斯玻色子；其次，每一届诺贝尔物理学奖的获奖人数不超过三人，如果授予有关希格斯玻色子的工作，那么获奖名单实在难以确定——在实验方面，数以千计的实验人员在大型重子对撞机前工作数年，理应是发现希格斯玻色子的最大功臣；在理论方面，最早提出关于标准粒子模型理论的是比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒（Francois Englert）和罗伯特·布罗特（Robert Brout），在随后半年里又有六位科学家相继发表了相关的论文，而皮特·希格斯则是第一个预言在这个理论当中存在着一个尚未发现的基本粒子的人，这些科学家都对希格斯玻色子的发现做出了重要贡献。除了布罗特教授已经去世，要从剩余的科学家中选出三位最有贡献者，实在不是一件容易的事情。

2012年的诺贝尔物理学奖最终落在了量子光学领域。两位实验物理学家——维因兰德与阿罗什，以两种相对应的方式，通过实验研究光与物质相互作用的量子过程，体现了人类在微观领域操控能力的最高水平。同时，这些技术潜在的应用前景也为人类社会的未来开创了各种可能。

量子力学的开创者之一，埃尔文·薛定谔在1952年曾经说：“我们从来不用单个的电子、原子或是分子做实验，我们只在思维实验中这样做，这总是会导致荒谬的结果。”这种结

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果，就是物理学家们至今也无法理解的微观量子现象，比如量子“叠加态”：一个微观粒子可以同时处于两种状态，而当它被“观测”或者与周围的环境发生接触时，叠加态则会消失，而变成某种单一的经典状态。观察到一个微观粒子在未被打扰的情况下同时具有两种状态，或是同时出现在两个地方，这正是薛定谔说的“荒谬”的结果。而在60年之后，两位物理学家就是通过高超的实验手段，以不同的方式探测和控制光子与负离子的量子态，揭示了量子力学最奇特的一面，并以此获得了物理学的最高荣誉。

维因兰德教授多年来一直研究建造量子计算机，而对于单个微观粒子状态的测量和控制则是建造量子计算机的第一步。现代计算机传递数据的基本单位是一个比特，其数值只能是0或者1，而科学家们努力构建的量子计算机，正是利用量子的叠加态，可以同时具有0和1两种状态，这称为“量子比特”。因此，一个量子比特可以同时具有00、01、10和11四个数值。量子计算机将可以同时进行多个运算，因此其速度与普通计算机相比将会大幅度提高。

1994年，贝尔实验室的科学家皮特·秀尔（Peter Shor）在理论上证明了量子计算机可以进行指数级的运算，轻易分解大数的质因子；1997年，同样来自贝尔实验室的科学家洛夫·格罗夫（Lov Grover）证明了量子计算机可以迅速检索互联网上未分类的信息，这使得量子计算机成为人们研究的热门。要实现一个最简单的量子计算系统，必须要满足两个条件：首先，这个量子系统必须与周围的环境隔绝开来保证不受外部环境的影响，维持量子态；其次，这个量子系统必

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须可以和外部的世界通信。维因兰德领导的研究小组第一个通过实验实现了利用两个量子比特进行计算，为了实现这两点，在极低的温度下，维因兰德通过激光脉冲作用于被周围电磁场困住的处于叠加态的粒子来读取它的状态，同时又可以不破坏这种叠加态。这种实验即使在十几年前也会被认为是只有在科幻小说中才能实现，现在则成为现实。这不仅是维因兰德研究组高超的实验手段的体现，同时也依赖于近年来通过电磁场捕获粒子的技术、激光冷却原子技术和光学相干理论研究的进步。

维因兰德通过激光脉冲作用于量子叠加态的技术不仅是实现量子计算机的第一步，同时也可以帮助建造世界上最精确的原子钟——通过一个处于量子态的离子充当原子钟，而通过另外一个处于量子态的离子或是可见光的激光脉冲来读取时间，这种新型的原子钟会比通常使用的通过微波激光读取时间的铯原子钟精确上百倍——这种最精确的原子钟即使是从宇宙大爆炸的时刻就开始计时，一直到140亿年之后的今天，也只会有四五秒的误差。建造出这种人类历史上最精确的时钟，有着非常重大的实际意义：人类可以更精确地测量各种宇宙常数，同时，也可以进一步验证广义相对论的各种预测。根据广义相对论，在引力场强度更高的地方或是在速度更快的状态下，时间的流逝将会变慢，这种微观效应很难在实际生活中观察到。而通过世界上最精确的原子钟，一个人即使是高度变化30米，或是以10米/秒的速度进行运动，时间对于他流逝的速度变化都可以测量出来——这将是验证广义相对论对于时空特性的描述的绝佳工具。

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