設個陷阱捉粒子
銳·聚焦
作者：楊先碧
名詞解釋：
粒子：能夠以自由狀態存在的最小物質組分。
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諾貝爾物理學獎獲得者簡介
塞爾日·阿羅什，1944年生於摩洛哥的卡薩布蘭卡，現為法國籍。1971年，他在巴黎第六大學獲得博士學位，曾任職於法國國家科研中心和法國綜合理工大學，現為法蘭西學院和巴黎高等師範學院教授。
戴維·瓦恩蘭，1944年生於美國密爾沃基，1970年在哈佛大學獲得博士學位，現任職於美國國家標準與技術研究所和科羅拉多大學博爾德分校。
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簡易，但它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。
科學家最早發現的粒子是電子和質子，此後於1932年又發現中子，確認原子由電子、質子和中子組成。之後這類被發現的粒子越來越多，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的。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，原子、電子、光子等粒子的活動則遵循量子物理學的相關定律。
有意思的是，量子物理學雖然表述的是微觀粒子的活動規律，但它卻是在宏觀觀測的基礎上建立起來的。也就是說，物理學家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。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。那麼，為什麼量子物理學家不直接觀測單個粒子呢？這是因為單個粒子實在太小且太活潑了，想找到單個的粒子就很不容易了；即使找到了它們，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，似乎常人都能想到。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·阿羅什卻率先完成了這個看似不可能的任務。
從1990年開始，他就在努力。最終，他在接近絕對零度（零下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，阿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，也不過一眨眼的時間。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。阿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，會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一樣。