阿羅什 暢想量子的美好世界

文/李 釗

10月9日，瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)宣布，由于在量子光學(xué)領(lǐng)域所取得的杰出成就，法國(guó)科學(xué)家塞爾日·阿羅什和美國(guó)科學(xué)家大衛(wèi)·瓦恩蘭共同獲得2012年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

塞爾日·阿羅什出生在摩洛哥卡薩布蘭卡，父親是猶太人，母親是俄羅斯人，他的妻子則是一名人類學(xué)和社會(huì)學(xué)家，他的祖父曾在摩洛哥“法語聯(lián)盟”從事法語教學(xué)工作。在他12歲那年，阿羅什舉家遷居法國(guó)。

其實(shí)早在獲得諾獎(jiǎng)之前，阿羅什已經(jīng)是法國(guó)乃至世界范圍內(nèi)量子光學(xué)領(lǐng)域的杰出人物。2009年，阿羅什獲得法國(guó)國(guó)家科研中心金質(zhì)獎(jiǎng)?wù)拢元?jiǎng)勵(lì)他在量子光學(xué)領(lǐng)域的巨大貢獻(xiàn)。2012年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，讓這位謙和、低調(diào)和熱愛藝術(shù)的法國(guó)科學(xué)家再一次在世人面前“閃耀”。

他的名字永遠(yuǎn)鐫刻在了巴黎高師的榮譽(yù)墻上

阿羅什就職于法國(guó)最負(fù)盛名的教育科研機(jī)構(gòu)——巴黎高等師范學(xué)院，巴斯德、薩特、傅立葉、羅曼·羅蘭、?？?、伽洛瓦等一個(gè)個(gè)在法國(guó)科技史、文化史上閃耀的名星，都曾在這所學(xué)校求學(xué)。而現(xiàn)在，阿羅什也像前輩們一樣，把自己的名字永遠(yuǎn)鐫刻在了巴黎高師的榮譽(yù)墻上。

由于是法國(guó)精英教育的標(biāo)桿性圣地，巴黎高師在招收學(xué)生上向來慎之又慎，在筆試之后，還至少要經(jīng)過三輪面試。而這所學(xué)校每年最終所錄取的學(xué)生人數(shù)也不過區(qū)區(qū)幾十人，所以學(xué)校各級(jí)學(xué)生和外國(guó)留學(xué)生的總規(guī)模一直控制在2000 人左右。在法國(guó)教育界，一直流傳著這樣一種說法，只要拿到巴黎高師第一輪面試資格的學(xué)生，就可以去法國(guó)任何大學(xué)和研究所上學(xué)。巴黎高師的既往歲月中，誕生了無數(shù)的科學(xué)和人文藝術(shù)領(lǐng)域的大師，共計(jì)有10位來自物理、化學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、文學(xué)領(lǐng)域的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者和9位菲爾茲獎(jiǎng)得主。

繪畫與歌劇給予了他科研激情

阿羅什位于巴黎高師辦公室的墻上貼滿了各種圖表和怪異公式，很容易讓初次結(jié)識(shí)他的人產(chǎn)生錯(cuò)覺，阿羅什就是一個(gè)潛心量子物理的“科學(xué)怪人”。可實(shí)際上，阿羅什除了物理學(xué)，對(duì)繪畫、歌劇等藝術(shù)領(lǐng)域也非常感興趣。他在接受法國(guó)《世界報(bào)》采訪時(shí)說，繪畫與歌劇給予了自己科研的激情。他在科學(xué)與藝術(shù)之間找到了“共振”與“共鳴”?，F(xiàn)代物理學(xué)本身就在晦暗莫測(cè)的領(lǐng)域里探索和研究，這和藝術(shù)領(lǐng)域里追求更新更高的突破并無不同，都是在追求各自領(lǐng)域里“神秘而有趣的東西”。

阿羅什藝術(shù)方面的興趣最好的說明就是：有一次在維也納舉行的科學(xué)會(huì)議期間，他專門拿出一天時(shí)間去美術(shù)館欣賞克里姆特和席勒的畫作，他認(rèn)為現(xiàn)在藝術(shù)家畫作中反映出的“興奮”和“關(guān)注”正是量子物理學(xué)的核心追求所在。

阿羅什有著一雙超乎常人的眼睛。對(duì)他來說，任何事物都不是非黑即白，世界萬物都可以既是黑色又是白色。更妙的是，他認(rèn)為一件東西并不是在這里或那里，而是既在這里又在那里。對(duì)他而言，門沒有打開或關(guān)閉，它可以同時(shí)打開和關(guān)閉。阿羅什認(rèn)為，探究一個(gè)生命是活著還是死了并無意義，生命可以同時(shí)存在活著的和死去的兩種狀態(tài)。而所有這些異于常人甚至驚世駭俗的觀察和判斷，正是來源于他長(zhǎng)期在量子物理學(xué)領(lǐng)域的鉆研和探索。

阿羅什認(rèn)為，量子物理學(xué)是一個(gè)混亂的世界。但在這個(gè)矛盾的世界里卻可以找到唯一確定性，那就是隨機(jī)和最最直觀的真理。

黑色的短發(fā)里夾雜著幾簇銀發(fā)，一直穿著深色襯衫，說話時(shí)慣用手勢(shì)的阿羅什喜歡引領(lǐng)談話者走進(jìn)他的想法和世界。他說，正如藝術(shù)領(lǐng)域從印象派到立體主義的過渡不乏激進(jìn)，現(xiàn)在物理學(xué)的研究也走過了一條不平凡的道路。一方面，經(jīng)典物理學(xué)的定律依然適用于我們的現(xiàn)實(shí)世界，尤其是大型物體的規(guī)律和運(yùn)行如行星和星系；另一方面，量子物理學(xué)的原則更多適用于原子、基本粒子和無限小的物理學(xué)領(lǐng)域。相對(duì)而言，后者是一個(gè)更加廣闊和神秘的空間。

阿羅什說，在量子物理學(xué)的層次上來看，材料可以定義為幾個(gè)能量水平的一次“疊加”，而且由于物質(zhì)雙重性質(zhì)的粒子性和波動(dòng)，一個(gè)物體可以同時(shí)顯示出現(xiàn)在不同的地方。不確定性是物質(zhì)最本質(zhì)和原始的狀態(tài)，而人們一旦開始用科學(xué)的手段測(cè)量，為了得到物質(zhì)的一個(gè)基本準(zhǔn)確定義，則已經(jīng)認(rèn)為疊加了能量水平，那么這時(shí)得到和測(cè)出的物質(zhì)已然不準(zhǔn)確了。這就是為什么在日常生活中，受環(huán)境的影響，物質(zhì)的狀態(tài)一直是改變和不確定的，多個(gè)能量水平的疊加狀態(tài)是如此短暫，普通科研器械根本難以捉摸。因此，在阿羅什看來，物體可以同時(shí)是白色和黑色，門既開又閉，而物質(zhì)永遠(yuǎn)不死即物質(zhì)不滅。

他選擇量子光學(xué)作為主攻方向

20世紀(jì)60年代，光學(xué)物理經(jīng)歷了一場(chǎng)革命，物理學(xué)家在了解光捕獲和處理問題上取得了重大突破，而那時(shí)正是阿羅什致力于量子光學(xué)研究的開始。在短暫的工程師和法國(guó)國(guó)家科研中心工作經(jīng)歷后，阿羅什選擇來到巴黎高師，開始了自己在量子物理學(xué)領(lǐng)域的“探險(xiǎn)”歷程。他的研究偏重于原子之間的相互作用和輻射，阿羅什認(rèn)為，了解世界最根本的依據(jù)來自周圍的環(huán)境，而環(huán)境中所有的信息和能量物質(zhì)傳遞都可以通過光的方式。所以在龐大的量子物理學(xué)領(lǐng)域，他又選擇量子光學(xué)作為主攻方向。

在量子光學(xué)領(lǐng)域，愛因斯坦、玻爾等科學(xué)巨擘奠定了“理論虛擬思想實(shí)驗(yàn)”的基礎(chǔ)，而量子力學(xué)之父——薛定諤則通過著名的思想試驗(yàn)——薛定諤的貓，將量子力學(xué)中的反直觀的效果轉(zhuǎn)嫁到日常生活中的事物上來。在前輩們研究的基礎(chǔ)上，阿羅什通過艱苦卓絕但不無趣味的努力，成功地馴服原子和光子。他成功觀察到量子疊加，彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室顯示器實(shí)時(shí)觀察連貫性時(shí)的損失。他發(fā)明的新檢測(cè)方法在觀察的同時(shí)并不介入，這樣就不會(huì)破壞光子的傳播。毫無疑問，這是一個(gè)杰作，一個(gè)偉大的創(chuàng)舉。

在阿羅什的實(shí)驗(yàn)室里，林立的管道和氣瓶都用鋁箔牢牢包裹著，幾乎所有的實(shí)驗(yàn)器材都是他和自己的同事學(xué)生親手制成的。設(shè)備雖然簡(jiǎn)陋，但包含多項(xiàng)世界領(lǐng)先甚至獨(dú)創(chuàng)的觀測(cè)技術(shù)。

實(shí)驗(yàn)室的一面墻壁可以被冷卻到接近絕對(duì)零度，而此時(shí)光子就可以被捕獲到足夠長(zhǎng)的時(shí)間。要知道，光子在百分之一秒的時(shí)間里就可以反彈超過1 億次，行駛40000公里，這相當(dāng)于繞地球一圈。阿羅什的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法，可以觀察到光子運(yùn)動(dòng)在兩個(gè)能量級(jí)之間過渡的一個(gè)小小轉(zhuǎn)變的節(jié)拍，并捕捉到這個(gè)節(jié)奏轉(zhuǎn)變中注入的原子，從而證明物質(zhì)是能量層疊加的存在。

政府應(yīng)重視和加強(qiáng)基礎(chǔ)研究工作

量子力學(xué)研究的明天是什么？這聽起來可能是一個(gè)過于功利性的題目。但實(shí)際上，量子物理學(xué)在信息時(shí)代價(jià)值日益重要且不可替代，海量信息系統(tǒng)維護(hù)和資料加密要求不斷提高的今天，都需要量子力學(xué)的突破和進(jìn)展。

在阿羅什看來，科學(xué)研究和經(jīng)濟(jì)利益不應(yīng)該沾邊，為了科學(xué)本身而研究，最終自然就會(huì)作用于人類共同的提高和進(jìn)步。他認(rèn)為，政府絕對(duì)不應(yīng)該按照回報(bào)率和投入產(chǎn)出比來制定科研經(jīng)費(fèi)的分配，因?yàn)榭茖W(xué)研究是“文化和文明的標(biāo)志，是一門最最高貴的藝術(shù)”。

阿羅什呼吁政府要進(jìn)一步重視和加強(qiáng)基礎(chǔ)研究工作，這里面物質(zhì)條件的困境還不是最主要的問題，最要緊的是不要通過資金分配的手段，打擊青年研究人員投身于基礎(chǔ)研究的積極性。目前科研領(lǐng)域把絕大部分資金投入到信息技術(shù)、新能源等所謂高精尖的前沿領(lǐng)域，而最基本、最基礎(chǔ)的科學(xué)理論研究長(zhǎng)時(shí)間得不到足夠重視，這樣的分配手法令人不安。他認(rèn)為，基礎(chǔ)研究的受益者是全人類，而最終也會(huì)反饋于經(jīng)濟(jì)社會(huì)，基礎(chǔ)研究的成果才是真正的國(guó)家財(cái)富。

獲得諾貝爾獎(jiǎng)的秘訣

2012年10月17日，阿羅什在《自然》雜志撰文，與讀者分享了他獲得諾獎(jiǎng)的秘訣，并建議為年輕科學(xué)家提供良好的研究條件和氛圍。

在研究過程中，幸運(yùn)這一因素發(fā)揮了一定作用。但比幸運(yùn)更重要的是，我們的成功主要依靠巴黎高等師范學(xué)院獨(dú)特的智力和物質(zhì)環(huán)境。我在這里能夠組建一支極其出色的永久性研究團(tuán)隊(duì)，我能夠?qū)㈤L(zhǎng)期積累的各種技能和知識(shí)不間斷地傳授給一批又一批的優(yōu)秀學(xué)生。我在巴黎高等師范學(xué)院為研究生教授的課程，以及在過去10年間一直在法蘭西學(xué)院教授的課程，同樣也為我獲得諾貝爾獎(jiǎng)做出了貢獻(xiàn)，因?yàn)槊磕甓夹枰獪?zhǔn)備一系列新的講座，這使我能夠?qū)Ｗ⒂诠馀c物質(zhì)間相互作用的不同方面。

只有在穩(wěn)定可靠的經(jīng)費(fèi)支持下，我們的實(shí)驗(yàn)工作才能取得成功，而這些經(jīng)費(fèi)主要是由管理我們實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)機(jī)構(gòu)所提供，歐洲和歐洲之外的一些國(guó)際機(jī)構(gòu)也提供了必要的補(bǔ)充經(jīng)費(fèi)。此外，歐洲流動(dòng)計(jì)劃的靈活機(jī)制使我們的實(shí)驗(yàn)室能夠向來訪的國(guó)外科學(xué)家開放，他們帶來的各種新知識(shí)、技能和科學(xué)文化，使我們得以不斷完善自己。在長(zhǎng)期探索微觀世界的過程中，我和同事始終都能夠保持選擇研究途徑的自由，而不是以是否具有實(shí)用可能性和前景來衡量之。

不幸的是，無論是在法國(guó)或在歐洲其他國(guó)家，我所受益的環(huán)境對(duì)目前的年輕科學(xué)家來說幾乎不大可能具備。經(jīng)濟(jì)危機(jī)所造成的研究資源匱乏，再加上探索解決諸如健康、能源和環(huán)境等現(xiàn)實(shí)問題之科學(xué)途徑的限制條件，人們更傾向于支持短期目標(biāo)取向的研究計(jì)劃，而不是長(zhǎng)期的基礎(chǔ)研究?？茖W(xué)家不得不提前闡明其所有的研究步驟，詳盡列出每一個(gè)重要的研究階段，解釋清楚在研究方向上的所有變化。如果將科學(xué)研究的途徑延展得太遠(yuǎn)，這不僅不利于由好奇心驅(qū)動(dòng)的研究，而且也不能使應(yīng)用研究達(dá)到其預(yù)期目標(biāo)，因?yàn)樵S多實(shí)用設(shè)備都來自于基礎(chǔ)研究的突破性進(jìn)展，永遠(yuǎn)不會(huì)出自于事先設(shè)計(jì)好的藍(lán)圖。

也許有人會(huì)認(rèn)為我的觀點(diǎn)過于悲觀。目前，確實(shí)有一些機(jī)構(gòu)（如法國(guó)國(guó)立研究局和歐洲研究委員會(huì)）資助一些由好奇心驅(qū)動(dòng)的研究項(xiàng)目，但對(duì)其資助的期限僅為3年至5年，這對(duì)于一項(xiàng)雄心勃勃的研究計(jì)劃來說實(shí)在太短。由于國(guó)家對(duì)實(shí)驗(yàn)室資助經(jīng)費(fèi)的周期性減少，因此年輕科學(xué)家進(jìn)行的長(zhǎng)期性研究經(jīng)費(fèi)不斷縮減，毫無疑問，在可預(yù)見的未來，這類經(jīng)費(fèi)也不可能大幅增加。解決該問題的方案之一，就是建立一個(gè)年輕科學(xué)家歐洲研究委員基金，其資助期限應(yīng)在10年以上，同時(shí)設(shè)立中期評(píng)估機(jī)制。

薪水太低是法國(guó)存在的另一問題。在法國(guó)研究機(jī)構(gòu)工作的博士后，其初始薪水遠(yuǎn)低于那些由歐洲研究委員會(huì)基金支付費(fèi)用的同行。隨著資歷的增加，其薪水將會(huì)隨之增加，但年輕科學(xué)家（即便是非常成功的年輕科學(xué)家）受困于薪水底層的時(shí)間過長(zhǎng)。如果在這個(gè)系統(tǒng)能夠投入更多的資金，應(yīng)該向這些處于薪水低洼地的年輕科學(xué)家傾斜。

我們可以不用花費(fèi)任何代價(jià)就能獲得不少改善。法國(guó)學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)較為龐大，各種研究委員會(huì)、學(xué)校和政府機(jī)構(gòu)相互交織，龐大的官僚體制困擾著科學(xué)家——他們不得不花費(fèi)大量的時(shí)間填寫表格和完成報(bào)告，而不是從事具體的研究。因此，目前的這種體制呼喚簡(jiǎn)單化。

如果由于我的實(shí)驗(yàn)獲得諾貝爾獎(jiǎng)而能夠吸引優(yōu)秀的年輕學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)科學(xué)研究，我將非常高興。我只希望他們能夠獲得類似于我和共同獲獎(jiǎng)?wù)叽笮l(wèi)·維因蘭德曾幸運(yùn)得到的經(jīng)歷——能夠自由地選擇他們的研究目標(biāo)，并且能長(zhǎng)期地支配自己的努力，在看到光明之前有能力承擔(dān)得起讓自己馳騁在充滿荊棘道路上的各項(xiàng)花費(fèi)。