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【资料正文】
量子光学之父和精密光谱学大师
——2005年诺贝尔物理学奖
 作者:佚名  来源:网络  更新:2006-1-19 12:59:13 选择语言:繁體


内容提要:
2005年10月4日,瑞典皇家科学院宣布,将2005年度诺贝尔物理学奖的一半奖金授予美国量子光学家罗伊·格劳伯,以表彰他对光学相干的量子理论做出的贡献;另一半奖金则颁发给美国量子激光学家约翰·霍尔和德国量子光学家特奥多尔·亨施,以表彰他们对基于激光的精密光谱学发展做出的贡献。
本文关键字:新闻,2005,诺贝尔,物理学奖



 

量子光学之父

  尽管人类已经进入了量子光学和激光的时代,科学家们仍然被一些问题所困扰。例如说一个蜡烛发出的光与CD唱机中采用的激光束之间究竟有什么区别?

  早在20世纪60年代,格劳伯就认为,已发现的量子力学的理论并不是最终真理,应该更好地发展量子理论,继续探索“光,是什么?”,从而开创了建立量子光学的里程碑式的研究工作。

  1963年,格劳伯就通过自己先驱性的工作,成功地应用量子理论来解释一些光学现象,诺贝尔物理学奖评委会赞言道,格劳伯是能够回答蜡烛和激光到底有什么本质区别的人。期年,他在《物理评论通信》上发表了研究论文,此后又在《物理评论》等杂志上发表了几篇相关论文,创造性的提出了“相干性量子理论”,成功的描述了光粒子的运行原理,展示了光粒子的特性在一定条件下是如何影响它的运行方式。尽管这些条件在自然状态下很难观察到,但是它经常与精密光学仪器密切相关。格劳伯指明,量子物理学观察到的激光与自然光相比,具有方向性、单色性和相干性好而亮度极强等特点。激光的这些特点正是有别于自然光之处,利用相干性的不同,可以有效地与自然光相区别,科学家也正是利用上述这些激光的优点把它广泛地应用于自然科学的各个领域,为人类造福。格劳伯的这些论文,奠定了量子光学学科的理论基础。

自然光与量子物理学观察到的光之间的区别。通过两个裂缝看到的光呈电磁波运动a)和一组粒子b)。注意:这时候,相同的干扰方式出现了,正如图a)中两组波互相作用的方式,或者图b)中单个粒子分配的方式
一致性a)与非一致性发射b)的区别。在一致性光中,光线的相位是一致的。


  20世纪60年代开始,激光技术有了很大的发展,但是如何解释一些新的现象,如何对光本身的一些特性进行描述还缺少理论基础。格劳伯提出的“相干性量子理论”解决了这些问题,并为现代光学的发展奠定了基础。格劳伯的成就奠定了他在量子光学领域中的领军地位,他被誉为量子光学之父。

  由于格劳伯等量子力学先驱者的贡献,量子光学终于在20世纪60年代诞生了。

  格劳伯1963年就提出了“相干性量子理论”,不仅解决了现代光学的一些基础性问题,而且奠定了量子光学的基础,开创了一门全新的物理学学科——量子光学。然而经过了42年的考验,80岁高龄才获得诺贝尔物理学奖。他的5篇代表性论文没有一篇发表在《科学》或《自然》杂志上。但是他的成就为世人所瞩目。他获得诺贝尔奖,是学术界许多人都期待已久的事情。在哈佛大学召开的新闻发布会上,哈佛大学物理系主任认为,格劳伯的获奖是一个迟到的奖励。

  格劳伯勤奋努力,非常热爱自己的教学和科研工作,在开完庆祝他获奖的大会之后,他立刻出席由9位大学新生参加的研讨会,他向与会者讲述了原子弹项目的背景和历史。格劳伯的工作不仅奠定了量子光学的基础,而且一旦发挥作用,意义就非常重大,比如用于研制量子计算机和开发更加安全的量子密码通信技术。

精密光谱学大师

  激光是光学和量子理论、无线电子学、微波波谱学、固体物理学等相结合的产物。激光具有广泛的用途,如用于特种加工、精密检测、探测导航、医疗、制药、育种、通信等领域,并且是一种常用的科研技术手段,前景广阔。诺贝尔物理学奖对这个“迟到而实用”的新兴物理学科4次对9人颁发,全部是在20世纪60年代以后。

  1913年玻尔(1922年诺贝尔物理学奖获得者)提出电子跃迁理论,1917年爱因斯坦(1921年诺贝尔物理学奖获得者)提出受激辐射理论,成为激光理论的基础。由这两位科学家的指引,使在20世纪激光进入了人类的生活。

  2005年获奖者霍尔和亨施对精密光谱学的创造性研究成果,主要是结合了原子物理和量子光学,在精确测量方面做出了杰出贡献。世界科学巨匠爱因斯坦早在1917年就指出,原子可存在不同的能级状态,处于高能级的原子被能量合适的光子击中时,原子就跃迁到低能级,同时放出一个无论是能量和运动方向都与入射光完全相同的新光子。这样,原来只有一个光子,现在变成了两个;这两个光子又击中两个氢原子,从而放出另外两个光子;所有四个光子又会使氢原子放出四个新光子,如此继续不断地打下去,最后就会有一大批光子像雪崩一样被释放出来,并且所有光子的能量和运动方向都是一模一样的。由于氢原子产生跃迁的光子是人为产生的,具有非常确定的能量,另外,能量与频率有关,因此,产生这类光子的谐振器,就可以作为时间的基准。用激光研究荣获诺贝尔奖的大师都是依据着爱因斯坦上述基本理论而获得成功的。

  霍尔和亨施还创造性地吸纳了2001年诺贝尔奖获得者、美国凝聚态物理学家克特勒、康奈尔和韦曼的研究成果。长期以来,人们一直希望让物质处在一种可控制的状态下,就像激光一样。早在1924年,印度物理学家玻色就对光粒子进行了理论计算,然后把结果寄给爱因斯坦。爱因斯坦将他的结论加以推广并应用于特定原子的研究领域,从而发现了“玻色-爱因斯坦凝聚”这种物质形态,创建了凝聚态物理学科,2001年奖获得者发现,玻色-爱因斯坦凝聚是一种相变,将相当数量的粒子处于同一量子态,这个特点有点像使光子处于同一能态的激光,因此被称为“原子激光”。

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