設個陷阱捉粒子
名人之路
作者：楊先碧
在野外挖個陷阱，一些野生動物就可能陷在其中難以逃脫。這是一種常見的捕捉野生動物的方法。這種方法看似十分古老且平常，卻可以用於尖端的量子物理學研究領域。2012年10月9日，來自法國和美國的兩名“粒子獵手”一起獲得了2012年諾貝爾物理學獎。他們采用的就是設置陷阱的方法來捕捉粒子，隻不過要設置這樣一個高科技陷阱，可比在野外挖坑難多了。
所謂粒子，是指能夠以自由狀態存在的最小物質組分。科學家最早發現的粒子是電子和質子，1932年又發現中子，確認原子由電子、質子和中子組成。以後這類粒子發現得越來越多，累計已超過幾百種，且還有不斷增多的趨勢。後來，科學家還發現，微觀世界的粒子所遵循的物理規律和宏觀世界有所差異。宏觀世界的能量是連續的，而微觀世界的能量是按照最小的單元跳躍式增長。這種能量的最小單元稱為量子，在此基礎上建立起來的物理學稱為量子物理學。
我們知道，在傳統物理學領域，我們要了解某個物體的特征，可以直接觀測單個的物體。比如，我們要總結滾動摩擦的特性，可以用一輛帶輪子的小車來做實驗。但是，量子物理學家不直接觀測單個粒子的微觀量子特征，而是先觀測一片粒子的宏觀活動，然後推測出這些粒子的微觀量子特征。這是因為單個粒子實在太小且太活潑了，找到單個的粒子很不容易；即使找到它們，它們也不會按照某種規律停留在某個地方或某個軌跡上。
於是，科學家自然而然就想到設置個陷阱去困住這些粒子。這個思路聽起來很簡單，但是，設置這個陷阱卻是個高難度的事情，一度被科學界認為是不可能的事情。法國物理學家賽日爾·哈羅什率先完成了這個似乎不可能完成的任務。從1990年開始，他就在設法完成這個任務。最終，他在接近絕對零度（-273℃）的溫度條件下，用兩個高性能超導體充當的反光鏡組成了一個光學陷阱。這種陷阱的科學術語為高反射光學微腔，或光子阱。
接下來，哈羅什成功地把一些光子引入到光子阱中。這些光子被困在反光鏡陷阱中的時間僅僅為0.1秒。這個時間對我們普通人來說實在太短了，也不過一眨眼的工夫。但是，對於量子物理學家來說，這個時間已經足夠長了。這期間，光子不斷反彈的總移動距離高達3萬千米，足以做很多測量和操控動作。哈羅什就是抓住了這個轉瞬即逝的機會，將一個極為活躍的“裏德博原子”送入“陷阱”中作為探針。這個原子在捕獲光子後，將單個光子的量子信息呈現出來，就如同X光描繪出人體的內部構造—樣。