袁岚峰对话塞尔日·阿罗什:我得诺奖是因为证明了薛定谔的错误

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本视频2023年12月13日发布于西瓜视频,播放量已达13.5万

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袁岚峰:每年世界顶尖科学家论坛在上海召开的时候,世界顶尖科学家协会与字节跳动都会邀请一两位诺贝尔奖获得者和我做一个对话节目。以前都是远程对话,今年是首次当面谈。

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非常高兴见到2012年诺贝尔物理学奖获得者、法国科学家塞尔日·阿罗什(Serge Haroche)。他和美国科学家大卫·维因兰德(David J. Wineland)共同获奖。原因是,“突破性的实验方法使我们能够测量与操纵单个量子体系”(for ground-breaking experimental methods that enable measuring and manipulation of individual quantum systems)。

这话是什么意思呢?受过基础科学教育的人都知道,物质是由原子组成的,原子是由电子、质子、中子组成的。对科学了解更多的人可能还知道,光是由光子组成的,描述这些微观粒子基本运动规律的理论,就是量子力学(quantum mechanics),它是当今物理学两大基础理论之一,跟相对论并列。基于量子力学,人们发明了激光、核能、半导体、发光二极管等几乎所有的现代技术。

然而,所有这些技术都有个共同点:它们操作的都是大量粒子的集合,而不是单个粒子。实际上,量子力学的奠基人们还曾经认为,操控单个粒子是不可能的。这是因为量子力学有很多奇特的性质,例如量子叠加、量子纠缠,它们跟经典世界的经验格格不入,最著名的例子就是薛定谔那只半死不活的猫。为什么在微观世界理论上允许存在这种猫态,而在宏观世界就不会看到呢?为了避免动物保护协会的抗议,最方便的方法就是认为它压根就制备不出来!

当然这是开个玩笑,真正的原因是操纵单个粒子的难度太大了,以至于前辈科学家们根本没有考虑过这个问题,然而,阿罗什和维因兰德打破了这个思维定势,他们设计了极其巧妙的方法,第一次使我们能够精细地操控单个粒子的状态,由此就可以观测到种种奇妙的量子性质,包括真正意义的薛定谔猫态,他们甚至还能观测到薛定谔猫态如何衰变成普通状态的过程,这是环境跟量子体系作用的结果。

阿罗什的研究领域是量子光学,不过我们也经常把他称为量子信息领域的获奖者。为什么呢?因为量子信息是量子力学和信息科学的交叉科学,而要实现量子信息,前提就是要能够操控单个粒子。因此,阿罗什和维因兰德的实验对此具有奠基性的作用。

那么,阿罗什是如何实现单粒子操控的?他们由此得到了什么惊人的结果?这对基础研究、日常应用以至哲学有什么意义?下面,我们就来跟阿罗什教授对话。

塞尔日·阿罗什:实际上,激光和计算机的诞生,都离不开对微观世界的研究,所以,正是由于在原子和光子方面的重大发现,激光和计算机才得以诞生,反过来,激光和计算机使我们可以操纵单个的粒子,这是个良性的循环。我认为将基础科学和技术相连接,共同发展。(注释:此段为本期精选)

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袁岚峰:今日头条的观众朋友们,大家好!欢迎收看今日头条与世界顶尖科学家协会共同推出的 《科学家请回答2023》 系列视频。我是中国科学技术大学袁岚峰,很荣幸邀请到了2012年诺贝尔物理学奖得主法兰西公学院名誉教授塞尔日·阿罗什(Serge Haroche)。欢迎塞尔日·阿罗什(Serge Haroche)。

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塞尔日·阿罗什:大家好!

袁岚峰:亲爱的阿罗什教授,很高兴见到您!首先,请允许我向大家介绍一下您的姓氏,我知道您是法国人,在法语里字母 H 是不发音的,所以您的姓氏(读音)是阿罗什,不是哈罗什,对吗?

塞尔日·阿罗什:是的。

袁岚峰:法国有个著名的数学家,他的名字是 Hadamard(Jacques Hadamard,雅克·哈达玛,1865-1963,最重要的结果是他于1896年证明的素数定理),那按同样的 H 不发音,应该是 Hadamard,那他的名字应该是阿达马,而不是哈达马?

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塞尔日·阿罗什:没错,类似的名字很多。比如Victor Hugo 是维克多·雨果( Victor Hugo,1802-1885伟大的法国文学家),而不是维克多·胡果。

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袁岚峰:他是最有名的作家。在量子信息领域有个很有名的概念叫 Hadamard Gate(阿达马门,阿达玛门是一种对单个量子比特的操作,操作的效果如上图),您和其他法国的前辈在量子信息领域做出了卓越的贡献。

您和维因兰德教授获得诺贝尔奖的原因是“突破性的实验方法,使我们能够测量与操纵单个量子体系”,为什么测量与操纵单个量子体系会如此重要呢?它又为什么如此困难?

塞尔日·阿罗什:之所以重要是因为在我们的实验之前大多数实验处理的都是大量粒子的体系,当你对大量粒子做实验时,量子效应可以说只是埋藏在统计中,唯一能真正直接观察到量子逻辑的量子表现的方法就是要处理单个粒子,保护它们免受环境影响,操纵和询问它们。之所以困难,当然是因为它们太小了,你必须细致地了解它们是如何与光反应的,因为你要用光去操作和询问它们,把它们的速度降下来,所有这些的实现都是通过发展技术,它需要很长时间才能开花结果,因为它涉及好的真空环境,还需要低温技术以实现低温以及各种各样的激光和计算机。所以,你需要掌握所有这些才能做这种实验。

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袁岚峰:所以非常困难,这区别就像是研究全国所有人的移动和某一个人的移动。

塞尔日·阿罗什:对,这个实验吸引人的地方还在于它是微观物理研究,我们一个小组的人通过桌面实验就可以完成,这和需要上千人参与的大型加速器实验完全不同,我更喜欢在小组工作,每个人都有明确的分工,还能同时有理论物理学家及实验物理学家共事。

袁岚峰:这么看来,您的工作比粒子物理学家还要难。

塞尔日·阿罗什:是的,确实很不一样。

袁岚峰:下一个问题是,对于具有量子力学知识的人来说,研究单个量子系统似乎是顺理成章的,因为这是课本里的默认情况,但我真正读了您的诺贝尔获奖演讲时,我才发现您的实验方法出人意料的复杂与美妙,里面的关键点是对光子的非破坏性测量。也许很多人根本想都没想过可以对光子进行非破坏性的测量。

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您的诺贝尔演讲词里引用了薛定谔,他认为对单粒子探测本质上是一种“尸体检查”性质的工作。例如气泡室中的粒子轨迹是在粒子消失之后留下的,这让我想起一位我的朋友“法医秦明”(秦明,1981年1月10日出生,安徽省铜陵市人,现任安徽省公安厅物证鉴定管理处法医病理损伤检验科副主任法医师,警务技术一级主管,中国作家协会会员,第四届安徽省法医学会秘书长)。他是一位著名的法医,写了很多关于通过尸检来破案的文学作品与影视,以一己之力让公众对法医这个职业产生了巨大的兴趣。

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所以真正有趣的是,您居然找到了办法超越了薛定谔的这个论断,把尸体检查变成了活体检查,您是怎么做到的?

塞尔日·阿罗什:这涉及到很多方面,当然,在薛定谔说那句话的时候技术并没有现在成熟。他那时候没有激光,也没有高速计算机,我们需要所有这些技术,才能在原子层面操纵物质,所以我认为这很好地诠释了科学是如何发挥作用的。实际上,激光和计算机的诞生都离不开对微观世界的研究。所以,正是由于在原子和光子方面的重大发现,激光和计算机才得以诞生。反过来,激光和计算机使我们可以操纵单个的粒子,这是个良性的循环。

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我认为将基础科学和技术相连接、共同发展,现在我们能做的是,真正观测到单个粒子,确认薛定谔是错的,发现薛定谔那样说是不对的。用光子做这种实验更难,因为虽然捕捉和操纵单个原子很难,但对光子更是难上加难,因为光子是非常不可捉摸的,一旦与物质相互作用,它们就会消失,要么是被吸收了,要么是被散射了,所以我们需要把它们保持在空间有良好定义的位置,用一个非常好的腔。

你还提到用非破坏性的方式进行检测的想法,这不是显而易见的,因为检测光子的基本方式,一般就是毁灭它们,比如一个光子抵达了你的视网膜,它就变成了电流或某种神经信号进入你的大脑,但光子本身已经死了,我们也找到了让光子在被检测到之后仍然存活的方法,这就是我们所说的“活体”物理学,跟你提到的“法医”物理学相对,我不喜欢这种观点。我希望粒子仍然存在,这样就可以观察到粒子之间相互作用时发生了什么神奇的现象,这就是现在人人都在谈论的,量子信息领域的开端。

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袁岚峰:真是太有趣了,您能证明量子力学奠基人的一些观点是错的。

塞尔日·阿罗什:不,实际上,他们在他们预言的所有事情上都是对的,他们的错误只是在于,实际上他们没有预见到从他们了不起的思想有可能得到的所有进步,其实他们有所有这些思想。量子物理学诞生于1925年,那些概念和定律到今天仍然有效,我们所有的实验都只是证明他们正确而不是错误。我们证明错误的,只是他们没有理解,他们没有梦想到,我们能基于他们的思想创造出奇妙的工具。

袁岚峰:本期视频就到这里,想了解更多顶尖科学家与科普大咖间的思维碰撞,上今日头条搜索《科学家请回答2023》,下期见!

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