美法奧三國科學家分享獎項，開發實驗工具為量子時代奠定基礎

2022年10月05日20:51:14 熱門 1979

北京時間10月4日下午5點多，2022年諾貝爾物理學獎評選結果揭曉。今年的獎項授予法國物理學家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國理論和實驗物理學家約翰·克勞瑟（John Clauser）和奧地利量子論物理學家安東·塞林格（Anton Zeilinger）。

諾獎官方表示，阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞瑟和安東·塞林格通過開創性的實驗，展示了研究和控制糾纏態粒子的潛力。一堆相互糾纏的粒子，哪怕它們相隔很遠的距離，無法相互影響，也能決定對方會發生的變化。三位獲獎者對相關實驗工具的開發，為量子技術的新時代奠定了基礎。

據悉，阿斯佩、克勞瑟和塞林格分別利用糾纏的量子態進行了突破性實驗，他們的成果為基於量子信息的新技術掃清了道路，讓不可思議的量子力學效應找到了實際的應用。並造就了一個龐大的研究領域，包括量子計算機、量子網絡和安全的量子加密通信。促成這一發展的關鍵因素之一在於，量子力學允許兩個或多個粒子以所謂的糾纏狀態存在。發生在糾纏對中的一個粒子上的事情，決定了發生在另一個粒子上的事情。

20世紀60年代，約翰·貝爾提出了以他名字命名的數學不等式。這說明，如果存在隱藏變量，大量測量結果之間的相關性將永遠不會超過某個值。然而，量子力學預言，某種類型的實驗將違反貝爾不等式，從而導致比其他方式更強的相關性。

克勞瑟發展了約翰·貝爾的想法，並設計了一個實際的實驗。使用該實驗進行測量時，他通過明確違反貝爾不等式的實驗結果，來支持了量子力學。這意味着量子力學不能被一個使用隱藏變量的理論所取代。在克勞瑟的實驗之後，仍然存在一些漏洞。阿斯佩發展了這個實驗，用它來彌補一個重要的漏洞。他在糾纏對離開其源頭後，切換了測量設置，因此當它們被發射時，之前存在的設置不會影響其結果。利用系列實驗和巧妙的工具設置，塞林格開始使用糾纏的量子態，其研究小組已經證明了一種叫做量子傳送的現象，這使得粒子間的量子態轉移成為可能。

諾貝爾物理學委員會主席安德斯·伊爾巴克（Anders Irbäck）說：「我們可以看到，獲獎者在糾纏態方面的工作具有重要意義，甚至超越了有關量子力學解釋的基本問題。」

關於為何選擇這三位候選人來代表這個發展迅速、眾星雲集、同時也非常引人關注的領域，諾獎委員會表示他們在篩選的時候，希望可以獎勵那些做出最基礎貢獻的人。值得注意的是，三位教授已經在2010年獲得沃爾夫物理學獎。以下，為讀者介紹三位得主的具體成就。

約翰·克勞瑟（John Clauser ）：首次證明光子的明確粒子特徵

圖 | 約翰·F·克勞瑟（John F. Clauser）

約翰·F·克勞瑟（John F. Clauser），美國理論和實驗物理學家。他以對量子力學基礎的貢獻而聞名，特別是克勞塞-霍恩-西蒙尼-霍爾特不等式（CHSH）。早年，其本碩博分別畢業於加州理工學院和哥倫比亞大學。自1969年起，他主要在美國勞倫斯伯克利國家實驗室、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室、以及加州大學伯克利分校工作。

1972年，克勞瑟與圖爾特·弗里德曼（Stuart Freedman）合作，進行了有關CHSH-貝爾定理的第一次實驗，這是首個觀察到違反了貝爾不等式的實驗。貝爾不等式，由已故的約翰·貝爾（John Bell）於1964年提出，它提供了一種方法來區分量子力學的預測、以及大量替代理論的預測，故也被稱為「局域隱變量理論」。此類測試需要對沿着相反方向分開的光子進行測試，以尋找它們的某些物理特性之間的相關性。但是難題在於，要導出貝爾不等式需要假設「局部性」，此外信息不能以超過光速的速度移動。1974 年，在與邁克爾·霍恩（Michael Horne）合作的過程中，他證明了貝爾定理的普遍適用。1974年，克勞瑟首次觀察到亞泊松光子統計，藉此首次證明了光子的明確粒子特徵。1976年，他又對CHSH-Bell理論假說進行了全球範圍內的第二次實驗測試。

阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）：為糾纏量子態的實驗控制開闢了道路

圖 | 阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）

阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect），法國物理學家，因在量子糾纏方面的實驗工作而聞名。他的工作為糾纏量子態的實驗控制開闢了道路，也成為了量子信息處理的基本要素。阿斯佩因對貝爾不等式的實驗測試而廣受認可，該測試於1981-1982年在法國光學理論應用學院（Institut d'Optique）進行，這項工作被認為是建立量子信息科學基礎的一部分。

阿斯佩的主要貢獻是提出了一個可行的實驗方案，通過在光子穿過設備時，快速改變偏振器的方向來進行這些測量。他在實驗中測量的光子來自單個原子，並形成了量子力學中所謂的「糾纏」狀態。觀察一個光子的狀態，即可對另一個光子狀態的測量結果進行預測，這本身就是一個量子比特（Qubit）的案例。

同時，一個量子系統可能存在於兩種狀態，並對應到兩個極化狀態。阿斯佩的實驗引起了極大關注，並引發了大量關於量子糾纏的理論和實驗工作。後續，人們探索了實現量子計算的算法的新途徑，並在實驗室中生成光子、冷原子、冷俘獲離子的糾纏態、以及後來的固態系統。後來，這項工作被認為是建立量子信息科學基礎的一部分。

此外，阿斯佩還首次通過實驗證明了單光子的波粒二象性。天文學家在1998年發現的小行星33163 Alainaspect，正是以阿斯佩的名字命名，以紀念他的成就。

安東·塞林格（Anton Zeilinger）：對多光子糾纏及量子傳輸做出開創性貢獻

圖 | 安東·塞林格（Anton Zeilinger）

安東·塞林格（Anton Zeilinger）是奧地利籍物理學家，現任奧地利科學院院長。其論文共被引用94000餘次，並於2014年進入湯森路透「高引用科學家」榜單。

塞林格長期從事量子物理和量子信息研究，是國際上量子物理基礎檢驗和量子信息領域的先驅和重要開拓者。無論是理論還是實驗，塞林格在量子物理基礎檢驗方面建立了始創性的功績。他曾與合作者在國際上率先開展中子、原子、大分子的量子干涉實驗，實現了無局域性漏洞、無探測效率漏洞的量子力學非定域性檢驗，提出並在實驗中製備首個多粒子糾纏態（GHZ態），這在量子力學基礎檢驗和量子信息中起着關鍵作用。

基於量子物理的基礎檢驗，塞林格與同事開發出了多光子干涉度量學，進一步把它們廣泛用於量子信息處理，具體包括量子密集編碼、遠距離量子通信、光量子計算等領域。其中，他在1997年首次實現量子隱形傳態的工作，被公認為是量子信息實驗研究的「開山之作」。

從1983年開始，塞林格一直與中國科學院、中國工程院等機構定期交流與合作。通過「墨子號」量子科學實驗衛星，塞林格團隊以合作形式參與到中國科學院主導的洲際量子通信實驗。而且，還在全球第一次使北京-維也納兩地的量子保密通信成為可能，該成果入選了美國物理學會評選的「2018年度國際物理學十大進展」。另據悉，塞林格還受聘為中國科學技術大學、南京大學、西安交通大學的名譽教授。值得注意的是，中科院院士潘建偉早年在奧地利留學時的導師，正是塞林格。

諾獎委員會直接在現場與塞林格進行了連線，他對獲得諾獎表示很驚喜，但他的聲音聽上去非常平靜。作為幾年來的獲獎熱門之一，他也許已經做好了準備。他的這次獲獎，與他的學生潘建偉在衛星尺度上證明了他所發明的技術密切相關。

在媒體採訪中，塞林格感謝了所有讓只存在於理論的實驗變成現實的人。他希望他的獲獎，可以鼓勵更多年輕人去發現量子力學的樂趣，從而進入這個領域。他同時表示，我們對時間和空間的理解都還有很多的未知。由於量子力學是一門我們經常聽到、但真正理解起來卻十分困難的科學，現場記者問了一系列基礎性問題，塞林格也都耐心地進行了講解。

關於諾貝爾物理學獎的「幕後故事」

1895 年 11 月 27 日，諾貝爾在其遺囑中寫道，諾貝爾物理學獎應頒發給「在物理學界做出了最傑出發明或發現的人」。

因此，在諾貝爾獎體系中，會有一部分頒佈給那些在物理學領域有傑出貢獻的科研工作者，這就是諾貝爾物理學獎。

歷屆獲獎人中不乏改變物理世界的牛人，例如從理論上解釋光電效應的阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）、在原子理論中發現新數學表述的埃爾溫·薛定諤（Erwin Schrödinger），還有共同提出宇稱不守恆理論的李政道和楊振寧、發展用激光冷卻和捕獲原子方法的朱棣文等。

第一屆諾貝爾物理學獎的頒佈是在 1901 年。接下來，就讓我們了解一下從 1901 年到 2021 年關於諾貝爾物理學獎的「幕後故事」。

◆ 1901 年 ~ 2021 年最受歡迎的諾貝爾物理獎得主

阿爾伯特·愛因斯坦

（Albert Einstein）

生於：1879 年 3 月 14 日，德國烏爾姆

卒於：1955 年 4 月 18 日，美國新澤西州普林斯頓

獲獎時的工作地：凱撒-威爾海姆研究所物理研究院（現馬克斯·普朗克研究所），德國柏林

獲獎評語：表彰他「對理論物理學做出的貢獻，尤其是光電效應定律的發現」

研究領域：理論物理

獲獎情況：1921年單獨獲獎

作為一名傳奇科學家，阿爾伯特∙愛因斯坦只獲得了 1921 年諾貝爾物理學獎，獲獎原因或許也是他眾多理論中相對「最小」的一個。而他在時空、引力理論等方面的諸多成就，在當時甚至如今都顯得「過於超前」，這可能也是諾貝爾獎只就「解釋光電效應」給他頒獎的原因。

愛因斯坦在慕尼黑長大，在那裡，他的父親成立了一家電機工程公司。從蘇黎世聯邦理工學院畢業後，愛因斯坦進入了瑞士伯爾尼專利局工作。在此期間，他發表了一系列在物理學領域具有前瞻性的文章。

科學成就：當時科學家發現，將金屬電極暴露於光線下時，有助於電極間產生電火花。要產生這種「光電效應」，光必須高於某特定頻率。然而，根據當時的物理理論，光的強度才是重要因素。1905 年，愛因斯坦發表了幾篇劃時代的論文，在其中的一篇中，愛因斯坦提出光是由光量子組成的——光量子的能量與其頻率有關。只有當光量子的頻率達到一定閾值時才能從金屬中激發出電子。

尼爾斯·亨里克·達維德·玻爾

（Niels Henrik David Bohr）

生於：1885 年 10 月 7 日，丹麥哥本哈根

卒於：1962 年 11 月 18 日，丹麥哥本哈根

獲獎時的工作地：哥本哈根大學，丹麥

獲獎評語：表彰他「對原子結構及原子輻射的研究」

研究領域：理論核物理

獲獎情況：1922 年單獨獲獎

科學成就：19 世紀末出現了關於電子和原子輻射的一系列研究，科學家們建立了不同的原子結構模型。1913 年，玻爾根據量子理論提出了氫原子的結構模型。他認為，原子能量如果要發生改變，只能在不同定態間以躍遷的方式進行。電子會按照特定軌道圍繞原子核運動。當電子躍遷到低能級軌道時，就會輻射出光子。玻爾的理論解釋了為什麼原子只有在特定波長照射下才能發射光子。

瑪麗·斯克沃多夫斯卡-居里

（Marie Curie, née Sklodowska）

生於：1867 年 11 月 7 日，俄羅斯帝國（現波蘭）華沙

卒於：1934 年 7 月 4 日，法國薩朗什

獲獎評語：表彰他們「研究貝克勒爾發現的電離輻射現象時的卓越成就」

研究領域：核物理

獲獎情況：1903 年與其他二人共同獲獎

瑪麗∙斯克沃多夫斯卡出生於波蘭華沙一個非常注重教育的教師之家。為了繼續她的學業，她移居法國並在那裡遇到了皮埃爾∙居里。後來，他成為了她的丈夫，也成為了她在放射領域中的研究夥伴。居里夫婦於 1903 年共同獲得了諾貝爾物理學獎。不幸的是，居里夫人在 1906 年失去了她的丈夫，但她沒有停下他們的研究工作，並再次於 1911 年獲得諾貝爾獎。

科學成就：受 1896 年貝克勒爾發現的電離輻射現象的激勵，瑪麗和皮埃爾決定進一步研究這一現象。他們為了獲得放射信號，對很多物質和元素進行了實驗。他們發現瀝青鈾礦比純鈾的放射性更強，因此，其中應該含有其他放射性物質。從瀝青鈾礦中他們提取出了兩種以前未知的元素：釙和鐳，它們的放射性都強於鈾。

在首次發現放射性元素釙和鐳以後，居里夫人對這兩種元素的性質做了更深入的研究。1910 年她成功地分離出鐳，從而證明了鐳的存在，從此業界再無質疑之聲。她還對鐳及其化合物的性質做了報道。放射性物質作為放射源，在科學實驗領域和癌症治療中變得越來越重要。

詹姆斯·乍得威克

（James Chadwick）

生於：1891 年 10 月 20 日，英國曼徹斯特

卒於：1974 年 7 月 24 日，英國劍橋

獲獎時的工作地：利物浦大學，英國

獲獎評語：表彰他「發現了中子」

研究領域：核物理

獲獎情況：1935 年單獨獲獎

科學成就：1930 年當海波特·貝克和瓦爾特·博特用阿爾法粒子（氦原子核）轟擊鈹核時，觀察到了高能的穿透性的輻射現象。當時一個假說認為，這是一個具有高能量的電磁輻射。然而 1932 年，詹姆斯·乍得威克證明阿爾法粒子中含有一個和質子質量相當的中性粒子。更早時期，歐內斯特·盧瑟福也提出了這種粒子的存在，而該粒子就是現在已經被證實的中子。

約瑟夫·約翰·湯姆森

（Joseph John Thomson）

生於：1856 年 12 月 18 日，英國曼徹斯特附近的奇塔姆山

卒於：1940 年 8 月 30 日，英國劍橋

獲獎時的工作地：劍橋大學，英國

獲獎評語：表彰他「在氣體導電方面的理論和實驗研究」

研究領域：原子物理

獲獎情況：1906 年單獨獲獎

科學成就：1830 年首次出現了一種觀點，認為電是通過原子中存在的微粒進行傳導。1890 年，約瑟夫·湯姆森爵士利用氣體環境下帶電粒子成功測定了電子質量。1897 年，他證明了陰極射線（將兩片金屬電極置於低壓氣體環境的玻璃管中，並在其上加載電壓，陰極釋放出的電子就會像射線一樣飛往陽極）含有電子，從而帶有電荷。他同時指出電子是原子的一部分。

埃爾溫·薛定諤

（Erwin Schrödinger）

生於：1887 年 8 月 12 日，奧地利維也納

卒於：1961 年 1 月 4 日，奧地利維也納

獲獎時的工作地：柏林大學，德國

獲獎評語：表彰他「發現了卓有成效的原子理論新形式」

研究領域：量子力學

獲獎情況：1933 年與另一人共同獲獎

科學成就：在玻爾的原子理論中，當電子從一個原子軌道躍遷到另一軌道時，就會吸收或發射特定波長的光。這一理論能夠很好地描述氫原子的光譜特徵。但是要想描述更複雜的原子和分子，則需要進行修正。以物質（比如電子）同時具有波動性和粒子性為前提，1926 年薛定諤給出了著名的薛定諤方程，從而能夠正確描述波函數的量子行為。他對量子疊加態的闡述也是大家熟悉的「薛定諤的貓」思想實驗的來源。

羅伯特·安德魯·密立根

（Robert Andrews Millikan）

生於：1868 年 3 月 22 日，美國伊利諾伊州莫里森

卒於：1953 年 12 月 19 日，美國加利福尼亞州聖馬利諾

獲獎時的工作地：加利福尼亞理工學院，帕薩迪納，美國加州

獲獎評語：表彰他「在基本電荷和光電效應中做的工作」

研究領域：電磁效應，粒子物理

獲獎情況：1923 年單獨獲獎

科學成就：19 世紀 90 年代，電子理論的傳播使得電子的概念被大家接受。1910 年密立根成功地精確測量了基本電荷量的值。他通過平衡重力與電場力，將油滴懸浮於兩片金屬電極之間。通過對許多油滴進行實驗後，密立根證明了它們的電荷總是一個確定值的倍數，因此認定這個確定值就是電荷值。

維爾納·卡爾·海森堡

（Werner Karl Heisenberg）

生於：1901 年 12 月 5 日，德國維爾茨堡

卒於：1976 年 2 月 1 日，德國慕尼黑

獲獎時的工作地：萊比錫大學，德國

獲獎評語：表彰他「創立了量子力學以及由此促進了氫的同素異形體的發現」

研究領域：量子物理

獲獎情況：1932 年單獨獲獎

科學成就：1925 年，維爾納·海森堡基於矩陣運算給出了一種量子理論的數學表述，稱為矩陣力學，後被薛定諤證明與波動描述在數學上是等價的。1927 年，海森堡提出了著名的「不確定性原理」，即一個運動粒子的位置和速度不能同時被準確測量，其不確定度存在下限。

威廉·康拉德·倫琴

（Wilhelm Conrad Röntgen）

生於：1845 年 3 月 27 日，普魯士倫內普（現德國雷姆沙伊德）

卒於：1923 年 2 月 10 日，德國慕尼黑

獲獎時的工作地：慕尼黑大學，德國

獲獎評語：表彰其「發現了意義非凡的射線，並在其中做出了傑出工作，這種新射線定名為倫琴射線」

研究領域：原子物理，X射線

獲獎情況：1901 年單獨獲獎

倫琴生於德國倫內普，長於荷蘭。他於蘇黎世聯邦理工學院畢業並在那裡得到了物理學博士學位。為了繼續他的研究，倫琴先後在斯特拉斯堡、吉森、維爾茨堡的大學工作。在維爾茨堡，他獲得了諾貝爾獎，這也是首屆的諾貝爾物理學獎。1900 年，倫琴到了慕尼黑大學並在那裡度過了他的餘生。

值得一提的是，儘管 X 射線為他帶來了諾貝爾獎，但他把獎金全部捐給了維爾茨堡大學，也放棄了其專利權，最終在貧困中死於癌症。

科學成就：1895 年，倫琴把電極加載到兩個置於真空玻璃管中的金屬片上，用於研究陰極輻射。雖然裝置被覆蓋住，他還是觀察到當感光板靠近時，其上有微弱的熒光出現。通過進一步試驗，他證實了該現象是一種尚未為人所知的具有穿透性的射線產生的。後來 X 射線成為了物理研究和人體檢查中的有力工具。

馬克斯·卡爾·恩斯特·路德維希·普朗克

（Max Karl Ernst Ludwig Planck）

生於：1858 年 4 月 23 日，石勒蘇益格基爾（現屬德國）

卒於：1947 年 10 月 4 日，德國哥廷根

獲獎時的工作地：柏林大學，德國

獲獎理由：表彰他「因發現能量量子而對物理學的發展做出傑出貢獻」

研究領域：量子力學

獲獎情況：1918 年單獨獲獎

科學成就：當一個黑體被加熱時，照射到黑體表面的電磁輻射就會被黑體吸收並轉化為熱輻射，其光譜特徵僅與黑體溫度有關而與其材質無關。然而用當時已知的物理定律計算熱輻射會得出無意義的結果：在高頻區的熱輻射能量會趨於無窮大。馬克斯∙普朗克在 1900 年通過引入能量的量子化理論解決了這個問題。也即，任意電磁輻射的能量大小都跟一個常量有關，後人將這個常量命名為普朗克常數。

◆ 諾貝爾物理學獎的數量

從 1901 年至 2021 年，共頒發了 115 屆諾貝爾物理學獎。其中，由於戰爭原因有六年沒有頒發，分別是 1916、1931、1934、1940、1941 和 1942 年。

獨享和共享的諾貝爾物理學獎：

47 次由一位獲獎者獨享；

32 次由兩位獲獎者共享；

36 次由三位獲獎者共享。

為什麼會出現這樣的情況？我們可以在諾貝爾委員會章程中找到答案：「若有兩個被提名者的工作都同樣出色難分伯仲，那獎金就可以由他倆平分。如果獲獎成果是由兩到三人共同完成的，那獎金就應授予項目共同完成人。但諾獎不能由超過三個人共享。」

◆ 諾貝爾物理學獎得獎人數

圖丨1956、1972年諾貝爾物理學獎得主約翰∙巴丁

1901~2021 年間，諾貝爾物理學獎共授予了 219 人次。其中，約翰∙巴丁（John Bardeen）是至今唯一一位兩次獲得諾貝爾物理學獎的人，因此實際上有 218 人獲得過諾貝爾物理學獎。

◆ 最年輕的物理學獎獲得者

迄今為止，最年輕的諾貝爾物理學獎獲得者是當時年僅 25 歲的勞倫斯∙布拉格（Lawrence Bragg）。他於 1915 年和他的父親一同獲得該獎項。

◆ 女性獲獎者

圖丨1963 年諾貝爾物理學獎得主瑪麗亞·格佩特·梅耶

在所有諾貝爾物理學獎獲得者中，僅有四名為女性，她們是：

1903 年的物理獎得主瑪麗·居里（Marie Curie ）（大名鼎鼎的居里夫人，她還於 1911 年獲得了諾貝爾化學獎），1963 年的物理獎得主瑪麗亞·格佩特·梅耶（Maria Goeppert-Mayer ），2018 年的物理獎得主唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland），以及 2020 年的物理獎得主安德里亞·蓋茲（Andrea Ghez）。

◆ 全家一起「牛」的獲獎者

夫妻&子女檔：