陈帅中科大 34岁的中科大教授陈帅:和原子跳个舞

你从前打猎,总是打不着反应敏捷的土拨鼠,现在终于找到一支精度和射程俱佳的好枪

最先完成汉斯设想的,是美国现任能源部部长朱棣文。中国人大都知道,这位华裔物理学家获得了1997年诺贝尔物理学奖,而其获奖原因正是“发明了用激光冷却和捕获原子的方法”。

1985年,朱棣文和他的团队在贝尔实验室用6束激光使原子减速,他们让真空中的一束钠原子先是被迎面而来的激光束阻止,然后把钠原子引进6束激光的交汇处。在这个小区域里,聚集了大量冷却的原子,组成了肉眼看去像是豌豆大小的发光气团。由6束激光组成的阻尼机制就像某种黏稠的液体,原子陷入其中会不断降低速度。科学家给这种机制起了一个绰号,叫“光学黏胶”。

然而在上述实验中,原子只是被冷却,并没有被捕捉到,重力会使它们在1秒钟内从“光学黏胶”中落下来。1987年,朱棣文团队做成了一种“磁光陷阱”,其中会产生一个比重力大的力,把原子拉回陷阱里去。此时原子虽然没有真正被捉住,却被激光和磁场约束在一个很小的范围里,从而可以在实验中加以研究和利用。

陈帅还记得,在朱棣文发表的第一篇论文里,原子的温度降到了100微开尔文这个量级。后来,别的研究团队后来居上,陆续创造出更低的温度。

在给冷原子降温的历程中,每一点温度的降低都被视为一座里程碑。

如今通用的降温办法是把冷原子团置入“磁阱”或靠“光阱”蒸发的办法把温度降到10-9开尔文这个量级,从而获取“人为制造的宇宙中最冷的物质”。在这个过程中,科学家实现了“玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)”。

早在1924年,玻色和爱因斯坦就从理论上预言,存在另外一种物质状态——即当温度足够低、原子的运动速度足够慢时,它们将集聚到能量最低的同一量子态。此时,所有的原子就像一个原子一样,具有完全相同的物理性质。但直到1995年,这一神奇的现象才在实验室中得到充分的显示。美德3位物理学家因在“稀薄气态碱金属原子的玻色-爱因斯坦凝聚”中的开创性工作而获得2001年诺贝尔物理奖。

在短短的8年时间内,冷原子物理领域就诞生了3个诺贝尔奖。如今,冷原子物理已经成为最热门的交叉学科。“想在物理学上有所突破的人,都必须了解这一新兴的技术手段。”陈帅说,“这就相当于,你从前打猎,总是打不着反应敏捷的土拨鼠,现在终于找到一支精度和射程俱佳的好枪。”

科学之所以能不断突破,是因为人们永远都想测得更准些

陈帅还记得,11年前第一次看见冷原子的情景。当时用的是肉眼看不到的铯原子。经过一天的光路调试,红外监测屏上终于出现了一个“闪亮的光球”。当时刚念硕士研究生二年级的陈帅觉得“好神奇”。他记得在中学物理老师的描述中,原子是构成物质最小的单位,是“看不见且摸不着的”。

如今,陈帅早已在捕捉冷原子实验方面驾轻就熟。最近,他正在尝试用不带电的原子模拟出带电粒子的行为,构造一种特别的场。

近几年冷原子物理不仅经历了一个又一个研究高潮,而且呈现新成果更新期缩短的趋势。美国国家科学基金会专门拨款组成由哈佛大学和麻省理工学院共同管理的国家级超冷原子研究中心。英国、加拿大、日本、韩国也都成立了相应的机构,同时把超冷原子物理研究列为今后四大科学与技术研究方向之一,给予全力资助。

“这些国家干吗把最强的研究机构、人才都整合到一起?”陈帅分析说,在微观尺度上操纵原子分子,按人类的意愿改变原子分子间的排列组合,长久以来是人类的一个梦想。在经典世界,人类的操控能力很强,可以发射机器人到太空采集样品,进行分析,并把分析结果的信号传回地球。但是人类对微观世界的操控能力远未达到这样的水平,这对物理学家是极大的挑战,也决定了科学发展的未来。

据悉,中国在冷原子物理方面的投入正在逐年加大。今年批准的物理方面的10个“国家重点基础研究专项”(973专项)中,4项跟冷原子有关。一个国家级的冷原子实验室也在筹建当中。

冷原子技术未来的应用相当广泛。陈帅举例说,目前中国正在研制自己的北斗导航定位系统。其中涉及时间等精确测量都要自己的知识产权。国际上利用冷原子技术制造的最精确的原子钟,其精度已经达到数150亿年才误差1秒。

“追求精确时间也是人类追求极限的过程。”陈帅说,“科学之所以能不断突破,是因为人们永远都想测得更准些。”