阿罗什 畅想量子的美好世界

文/李 钊

10月9日，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布，由于在量子光学领域所取得的杰出成就，法国科学家塞尔日·阿罗什和美国科学家大卫·瓦恩兰共同获得2012年度诺贝尔物理学奖。

塞尔日·阿罗什出生在摩洛哥卡萨布兰卡，父亲是犹太人，母亲是俄罗斯人，他的妻子则是一名人类学和社会学家，他的祖父曾在摩洛哥“法语联盟”从事法语教学工作。在他12岁那年，阿罗什举家迁居法国。

其实早在获得诺奖之前，阿罗什已经是法国乃至世界范围内量子光学领域的杰出人物。2009年，阿罗什获得法国国家科研中心金质奖章，以奖励他在量子光学领域的巨大贡献。2012年的诺贝尔物理学奖，让这位谦和、低调和热爱艺术的法国科学家再一次在世人面前“闪耀”。

他的名字永远镌刻在了巴黎高师的荣誉墙上

阿罗什就职于法国最负盛名的教育科研机构——巴黎高等师范学院，巴斯德、萨特、傅立叶、罗曼·罗兰、福柯、伽洛瓦等一个个在法国科技史、文化史上闪耀的名星，都曾在这所学校求学。而现在，阿罗什也像前辈们一样，把自己的名字永远镌刻在了巴黎高师的荣誉墙上。

由于是法国精英教育的标杆性圣地，巴黎高师在招收学生上向来慎之又慎，在笔试之后，还至少要经过三轮面试。而这所学校每年最终所录取的学生人数也不过区区几十人，所以学校各级学生和外国留学生的总规模一直控制在2000 人左右。在法国教育界，一直流传着这样一种说法，只要拿到巴黎高师第一轮面试资格的学生，就可以去法国任何大学和研究所上学。巴黎高师的既往岁月中，诞生了无数的科学和人文艺术领域的大师，共计有10位来自物理、化学、经济学、文学领域的诺贝尔奖获得者和9位菲尔兹奖得主。

绘画与歌剧给予了他科研激情

阿罗什位于巴黎高师办公室的墙上贴满了各种图表和怪异公式，很容易让初次结识他的人产生错觉，阿罗什就是一个潜心量子物理的“科学怪人”。可实际上，阿罗什除了物理学，对绘画、歌剧等艺术领域也非常感兴趣。他在接受法国《世界报》采访时说，绘画与歌剧给予了自己科研的激情。他在科学与艺术之间找到了“共振”与“共鸣”。现代物理学本身就在晦暗莫测的领域里探索和研究，这和艺术领域里追求更新更高的突破并无不同，都是在追求各自领域里“神秘而有趣的东西”。

阿罗什艺术方面的兴趣最好的说明就是：有一次在维也纳举行的科学会议期间，他专门拿出一天时间去美术馆欣赏克里姆特和席勒的画作，他认为现在艺术家画作中反映出的“兴奋”和“关注”正是量子物理学的核心追求所在。

阿罗什有着一双超乎常人的眼睛。对他来说，任何事物都不是非黑即白，世界万物都可以既是黑色又是白色。更妙的是，他认为一件东西并不是在这里或那里，而是既在这里又在那里。对他而言，门没有打开或关闭，它可以同时打开和关闭。阿罗什认为，探究一个生命是活着还是死了并无意义，生命可以同时存在活着的和死去的两种状态。而所有这些异于常人甚至惊世骇俗的观察和判断，正是来源于他长期在量子物理学领域的钻研和探索。

阿罗什认为，量子物理学是一个混乱的世界。但在这个矛盾的世界里却可以找到唯一确定性，那就是随机和最最直观的真理。

黑色的短发里夹杂着几簇银发，一直穿着深色衬衫，说话时惯用手势的阿罗什喜欢引领谈话者走进他的想法和世界。他说，正如艺术领域从印象派到立体主义的过渡不乏激进，现在物理学的研究也走过了一条不平凡的道路。一方面，经典物理学的定律依然适用于我们的现实世界，尤其是大型物体的规律和运行如行星和星系；另一方面，量子物理学的原则更多适用于原子、基本粒子和无限小的物理学领域。相对而言，后者是一个更加广阔和神秘的空间。

阿罗什说，在量子物理学的层次上来看，材料可以定义为几个能量水平的一次“叠加”，而且由于物质双重性质的粒子性和波动，一个物体可以同时显示出现在不同的地方。不确定性是物质最本质和原始的状态，而人们一旦开始用科学的手段测量，为了得到物质的一个基本准确定义，则已经认为叠加了能量水平，那么这时得到和测出的物质已然不准确了。这就是为什么在日常生活中，受环境的影响，物质的状态一直是改变和不确定的，多个能量水平的叠加状态是如此短暂，普通科研器械根本难以捉摸。因此，在阿罗什看来，物体可以同时是白色和黑色，门既开又闭，而物质永远不死即物质不灭。

他选择量子光学作为主攻方向

20世纪60年代，光学物理经历了一场革命，物理学家在了解光捕获和处理问题上取得了重大突破，而那时正是阿罗什致力于量子光学研究的开始。在短暂的工程师和法国国家科研中心工作经历后，阿罗什选择来到巴黎高师，开始了自己在量子物理学领域的“探险”历程。他的研究偏重于原子之间的相互作用和辐射，阿罗什认为，了解世界最根本的依据来自周围的环境，而环境中所有的信息和能量物质传递都可以通过光的方式。所以在庞大的量子物理学领域，他又选择量子光学作为主攻方向。

在量子光学领域，爱因斯坦、玻尔等科学巨擘奠定了“理论虚拟思想实验”的基础，而量子力学之父——薛定谔则通过著名的思想试验——薛定谔的猫，将量子力学中的反直观的效果转嫁到日常生活中的事物上来。在前辈们研究的基础上，阿罗什通过艰苦卓绝但不无趣味的努力，成功地驯服原子和光子。他成功观察到量子叠加，弥补了实验室显示器实时观察连贯性时的损失。他发明的新检测方法在观察的同时并不介入，这样就不会破坏光子的传播。毫无疑问，这是一个杰作，一个伟大的创举。

在阿罗什的实验室里，林立的管道和气瓶都用铝箔牢牢包裹着，几乎所有的实验器材都是他和自己的同事学生亲手制成的。设备虽然简陋，但包含多项世界领先甚至独创的观测技术。

实验室的一面墙壁可以被冷却到接近绝对零度，而此时光子就可以被捕获到足够长的时间。要知道，光子在百分之一秒的时间里就可以反弹超过1 亿次，行驶40000公里，这相当于绕地球一圈。阿罗什的创新实验方法，可以观察到光子运动在两个能量级之间过渡的一个小小转变的节拍，并捕捉到这个节奏转变中注入的原子，从而证明物质是能量层叠加的存在。

政府应重视和加强基础研究工作

量子力学研究的明天是什么？这听起来可能是一个过于功利性的题目。但实际上，量子物理学在信息时代价值日益重要且不可替代，海量信息系统维护和资料加密要求不断提高的今天，都需要量子力学的突破和进展。

在阿罗什看来，科学研究和经济利益不应该沾边，为了科学本身而研究，最终自然就会作用于人类共同的提高和进步。他认为，政府绝对不应该按照回报率和投入产出比来制定科研经费的分配，因为科学研究是“文化和文明的标志，是一门最最高贵的艺术”。

阿罗什呼吁政府要进一步重视和加强基础研究工作，这里面物质条件的困境还不是最主要的问题，最要紧的是不要通过资金分配的手段，打击青年研究人员投身于基础研究的积极性。目前科研领域把绝大部分资金投入到信息技术、新能源等所谓高精尖的前沿领域，而最基本、最基础的科学理论研究长时间得不到足够重视，这样的分配手法令人不安。他认为，基础研究的受益者是全人类，而最终也会反馈于经济社会，基础研究的成果才是真正的国家财富。

获得诺贝尔奖的秘诀

2012年10月17日，阿罗什在《自然》杂志撰文，与读者分享了他获得诺奖的秘诀，并建议为年轻科学家提供良好的研究条件和氛围。

在研究过程中，幸运这一因素发挥了一定作用。但比幸运更重要的是，我们的成功主要依靠巴黎高等师范学院独特的智力和物质环境。我在这里能够组建一支极其出色的永久性研究团队，我能够将长期积累的各种技能和知识不间断地传授给一批又一批的优秀学生。我在巴黎高等师范学院为研究生教授的课程，以及在过去10年间一直在法兰西学院教授的课程，同样也为我获得诺贝尔奖做出了贡献，因为每年都需要准备一系列新的讲座，这使我能够专注于光与物质间相互作用的不同方面。

只有在稳定可靠的经费支持下，我们的实验工作才能取得成功，而这些经费主要是由管理我们实验室的相关机构所提供，欧洲和欧洲之外的一些国际机构也提供了必要的补充经费。此外，欧洲流动计划的灵活机制使我们的实验室能够向来访的国外科学家开放，他们带来的各种新知识、技能和科学文化，使我们得以不断完善自己。在长期探索微观世界的过程中，我和同事始终都能够保持选择研究途径的自由，而不是以是否具有实用可能性和前景来衡量之。

不幸的是，无论是在法国或在欧洲其他国家，我所受益的环境对目前的年轻科学家来说几乎不大可能具备。经济危机所造成的研究资源匮乏，再加上探索解决诸如健康、能源和环境等现实问题之科学途径的限制条件，人们更倾向于支持短期目标取向的研究计划，而不是长期的基础研究。科学家不得不提前阐明其所有的研究步骤，详尽列出每一个重要的研究阶段，解释清楚在研究方向上的所有变化。如果将科学研究的途径延展得太远，这不仅不利于由好奇心驱动的研究，而且也不能使应用研究达到其预期目标，因为许多实用设备都来自于基础研究的突破性进展，永远不会出自于事先设计好的蓝图。

也许有人会认为我的观点过于悲观。目前，确实有一些机构（如法国国立研究局和欧洲研究委员会）资助一些由好奇心驱动的研究项目，但对其资助的期限仅为3年至5年，这对于一项雄心勃勃的研究计划来说实在太短。由于国家对实验室资助经费的周期性减少，因此年轻科学家进行的长期性研究经费不断缩减，毫无疑问，在可预见的未来，这类经费也不可能大幅增加。解决该问题的方案之一，就是建立一个年轻科学家欧洲研究委员基金，其资助期限应在10年以上，同时设立中期评估机制。

薪水太低是法国存在的另一问题。在法国研究机构工作的博士后，其初始薪水远低于那些由欧洲研究委员会基金支付费用的同行。随着资历的增加，其薪水将会随之增加，但年轻科学家（即便是非常成功的年轻科学家）受困于薪水底层的时间过长。如果在这个系统能够投入更多的资金，应该向这些处于薪水低洼地的年轻科学家倾斜。

我们可以不用花费任何代价就能获得不少改善。法国学术机构较为庞大，各种研究委员会、学校和政府机构相互交织，庞大的官僚体制困扰着科学家——他们不得不花费大量的时间填写表格和完成报告，而不是从事具体的研究。因此，目前的这种体制呼唤简单化。

如果由于我的实验获得诺贝尔奖而能够吸引优秀的年轻学生进行基础科学研究，我将非常高兴。我只希望他们能够获得类似于我和共同获奖者大卫·维因兰德曾幸运得到的经历——能够自由地选择他们的研究目标，并且能长期地支配自己的努力，在看到光明之前有能力承担得起让自己驰骋在充满荆棘道路上的各项花费。