图:美国能源部官方肖像,2009(时年 60 岁)(公有领域)
朱棣文
Steven Chu1948–今 · 生于美国密苏里州圣路易斯 · 美国
用六束激光熬出一锅「光学糖浆」把原子冷住,又用夹住玻璃球的光去拉单个 DNA 分子——六十岁时又去当了美国能源部长
诺贝尔物理学奖 1997 发展用激光冷却和囚禁原子的方法
「我们随即犯了实验物理的大忌:没有去听大自然说什么,而是被理论预期牵着走。」
—— 1997 年 12 月 8 日诺贝尔演讲《操控中性粒子》,谈 1985 年第一次测得比理论下限还低的温度、却加修正因子凑回理论值,据英文原文译
朱棣文在诺贝尔自传里给自己的定位是:一个学霸家族里的「学术败家子」。他后来做成的几件事——把原子冷到开尔文的万分之几、用光夹住单个 DNA 分子、当美国能源部长——没有一件是按家里期待的路径走出来的。
家族里的「败家子」
父亲 1943 年到麻省理工学院读化学工程,母亲两年后也来美国读经济。那一辈人本打算学成回国,可中国的局势让回去的可能越来越渺茫,他们便在美国安了家。朱棣文 1948 年生在圣路易斯,是三兄弟中的老二。
用他自己的话说,这个家里「教育不只是被重视,它就是我们存在的理由」。几乎所有叔伯阿姨都有理工科博士学位;到他这一辈,两兄弟加四个表亲一共拿了三个医学博士、四个哲学博士和一个法学学位。哥哥创下了高中累计平均分的纪录,弟弟连高中文凭都没拿就进了大学,二十一岁读完博士又去哈佛读法律。夹在中间的朱棣文成绩「明显平庸」,申请常春藤全被拒,去了罗切斯特大学。他安慰自己:至少那里没人听说过他的兄弟和表亲。
他真正着迷的是动手。幼儿园后迷上塑料飞机模型,四年级玩金属拼装玩具,客厅地毯上常年摊着几百根小钢梁和螺丝,母亲容许一个装置搭好几天不拆;后来和朋友用午饭钱造土火箭。高中最后一学期,物理老师鼓励他搭了一个物理摆来「精确」测量重力加速度。
被费曼留在物理里
大一的物理课用的是《费曼物理学讲义》。他说,要不是这套讲义,大二那年他几乎肯定会离开物理去读数学。他本想做理论物理,心中的英雄从牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦一直排到费曼、盖尔曼、杨振宁和李政道,还特意申请了杨振宁所在的石溪。
1970 年他进了伯克利。导师康明斯给了他一个原恒星形成的理论题目,他拖了两个月没碰,一直在实验室里「玩」:有一次他发现小提琴家快速演奏时的走音也能被听出来,粗算一下似乎违反了频率与时长的不确定关系,就用音频振荡器做了个实验,找同学们来辨认短促音符的频率。到这时,连他自己都看出来,他适合做实验。
他的博士课题是用台式激光实验在原子铊里找宇称不守恒——电弱统一理论的预言。导师不懂激光,他夸下海口说自己来造,很快就能跑起来。温伯格每隔几个月就给导师打电话问有没有结果,理论家杰克逊在游泳池碰见他,眯着眼问:「有数了吗?」言下之意是还有要紧事没做完,怎么敢来游泳。结果他们还是晚了一步:1978 年斯坦福直线加速器的电子散射实验先给出了弱中性流的确凿证据。
贝尔实验室的随机游走
1978 年伯克利给了他助理教授的职位,还允许他先请假出去见识一番。他去了贝尔实验室,从此再没回伯克利。部门主管让他头半年只管泡图书馆、找人聊天,一年后又在考核时敦促他别满足于做「好的科学」,要去「开创一个新领域」。他回答:非常乐意,但能不能先给点提示是哪个领域。
他先选了一个公认做不成的题目:测电子偶素的能级。电子偶素是电子和正电子组成的「原子」,一亿四千万分之一秒内就湮灭,当时已经有 12 篇论文报告了失败。管理层认为他在毁掉自己的前途,两年没结果后强烈建议他放弃。他和正电子专家米尔斯坚持下来,1982 年在每个激光脉冲只有大约 4 个原子的情况下看到了信号,后来做成了当时对原子体系量子电动力学修正最精确的测量之一。
1983 年秋,他调到霍姆德尔分部当部门主任。办公室隔壁的阿什金有个梦想——用光抓住原子,但那项工作几年前就被管理层叫停了,他不断把自己的旧论文塞给这个越听越认真的新邻居。朱棣文很快想明白:要用光抓住原子,得先让它冷下来。他扔下手头的电子能谱仪计划,和新来的博士后霍尔伯格、技术员凯布尔一头扎进激光冷却。
那一锅糖浆
1984 年早春,他们从一张空光学平台开始,不到一年就交出了光学黏团的论文。他取「一月里的糖浆」之意给它起了名字。达到黏团后过了整整一个星期,他们才想起来不用光电倍增管、直接用眼睛往真空罐里看——一团发光的原子悬在六束激光交汇处。
第一次测温得到 185 微开,比多普勒冷却理论允许的最低温度还低一点。他们加了一个修正因子,把结果凑回了理论值。三年后,国家标准局的菲利普斯组测出 40 微开,证明理论下限根本不是下限。朱棣文在诺贝尔演讲里把这件事原原本本写了出来,并承认在那几年大家忘了去检验光学黏团最基本的性质,「而我是最该负责的那个」。
接着是光阱。他起初否决了单束聚焦光阱的方案,因为算下来能抓住的原子不到一个;一两天后他意识到,在黏团里随机游走的原子会一次又一次路过光阱,有很多机会掉进去。光阱真的成了:肉眼能看到一个小亮点越来越亮。他在走廊里跑来跑去,把人拉进实验室看。阿什金那几天恰好得了流感,后来坦白说,躺在床上发烧时一度怀疑光阱是不是自己烧糊涂了想象出来的。为了拍下这个亮点,一位 RCA 的销售代表借给他们一台微光摄像机,论文里那张照片成了《物理评论快报》发表的第一张彩色照片。
为了先验证原理,阿什金用同一束聚焦激光夹住了水里的玻璃微球。「那时我们谁也没意识到这个玩具实验会开出什么花来」——它就是光镊,阿什金 2018 年因此获诺贝尔奖。
斯坦福:「很快就好」的小实验
1987 年他去了斯坦福,接替去德国的亨施。他承认,要是仔细掂量过要从头组建团队、面对菲利普斯和科恩-塔诺季那样的强组,他大概不会动身;但从 1988 到 1993 年,成了他科研上最高产的几年。
他习惯给学生布置「quickie」——保证只花几个星期的小岔路。第一个是用冷原子做原子喷泉:把原子向上抛,上升和下落时各照一次微波,间隔 0.25 秒,谱线宽只有 2 赫兹。1950 年代扎卡赖亚斯想用热原子做同样的事,慢原子总被后面的快原子撞散,没做成。随后是原子干涉仪和冷却到光子反冲以下的拉曼冷却。1999 年,他的组用下落的冷原子测重力加速度,精度到十亿分之几——他高中那个物理摆的精致版。
他还把光镊带进了生物学。一位医学院的博士生晚上教他分子生物学;1990 年,他们已经能在显微镜下一边看、一边拉直单个荧光标记的 DNA 分子。后来他的组发现,初始状态完全相同的分子,会沿几条不同的路径弛豫到新的平衡——他称之为「分子个体主义」,此前的高分子动力学理论和模拟都没有预料到。
从实验室到内阁
2000 年以后,他把越来越多的精力放到能源和气候问题上。2004 年起主持劳伦斯伯克利国家实验室,2009 年 1 月出任奥巴马政府的能源部长,任内启动了先进能源研究计划局(ARPA-E)等项目,2010 年墨西哥湾漏油事件中被派去协助封堵油井。2013 年卸任后回到斯坦福,研究锂电池、空气过滤和用于生物成像的纳米颗粒。
他在自传里引斯坦福同事格巴勒的话,解释自己为什么离开「几乎完美」的贝尔实验室:学生刚来时相信教科书是权威,慢慢发现教科书和教授并不是什么都知道,于是开始自己思考——「然后,我开始向他们学习。」
代表方程
光学黏团里的阻力
六束频率略低于共振的激光从各个方向照向原子。原子朝哪边跑,迎面那束光因多普勒效应更接近共振、吸收得更多,于是总被往回推——合起来就是一个与速度成正比的阻力,像在糖浆里行走。阻尼降温、光子反冲的随机踢打升温,两者平衡在多普勒极限 ,钠原子是 240 微开。他 1985 年第一次测出的其实是 185 微开,却没敢相信。
原子干涉仪测重力
用三个激光脉冲把一团下落的冷原子分成两路、各自走一段、再合回来,两路的相位差正比于重力加速度 与脉冲间隔 的平方, 是光脉冲传给原子的有效波矢。1991 年他与学生卡塞维奇做成这种干涉仪,1999 年用它测 到十亿分之几。高中时他为了测重力搭过一个物理摆,二十五年后用冷原子把同一个测量重做了一遍。
伟大发现
出处
正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。
- 1.诺贝尔奖官方资料页:朱棣文自传(1997)及 2017 年增补
- 2.朱棣文《诺贝尔演讲:操控中性粒子》,《现代物理评论》第 70 卷第 685 页(1998)
- 3.孔蒂、巴克斯鲍姆、朱棣文、康明斯与亨特《原子铊中宇称不守恒的初步观测》,《物理评论快报》第 42 卷第 343 页(1979)
- 4.朱棣文与米尔斯《电子偶素 1³S₁→2³S₁ 双光子跃迁的激发》,《物理评论快报》第 48 卷第 1333 页(1982)
- 5.朱棣文、霍尔伯格、比约克霍尔姆、凯布尔与阿什金《共振辐射压对原子的三维黏滞约束与冷却》,《物理评论快报》第 55 卷第 48 页(1985)
- 6.朱棣文、比约克霍尔姆、阿什金与凯布尔《光囚禁原子的实验观测》,《物理评论快报》第 57 卷第 314 页(1986)
- 7.阿什金、齐奥齐奇、比约克霍尔姆与朱棣文《观测到用于介电粒子的单光束梯度力光阱》,《光学快报》第 11 卷第 288 页(1986)——光镊
- 8.拉布、普伦蒂斯、凯布尔、朱棣文与普里查德《用辐射压囚禁中性钠原子》,《物理评论快报》第 59 卷第 2631 页(1987)
- 9.昂加尔、韦斯、里斯与朱棣文《光学黏团与多能级原子:理论》,《美国光学学会杂志 B》第 6 卷第 2058 页(1989)
- 10.卡塞维奇、里斯、朱棣文与德沃《原子喷泉中的射频光谱》,《物理评论快报》第 63 卷第 612 页(1989)
- 11.卡塞维奇与朱棣文《用受激拉曼跃迁做原子干涉》,《物理评论快报》第 67 卷第 181 页(1991)
- 12.卡塞维奇与朱棣文《用三能级原子冷却到光子反冲以下》,《物理评论快报》第 69 卷第 1741 页(1992)
- 13.珀金斯、奎克、史密斯与朱棣文《光学显微镜下观测单个 DNA 分子的弛豫》,《科学》第 264 卷第 822 页(1994)
- 14.彼得斯、钟与朱棣文《用下落的原子测量重力加速度》,《自然》第 400 卷第 849 页(1999)