图:美国国家标准与技术研究院,1997(时年 49 岁)(公有领域)
威廉·菲利普斯
William D. Phillips1948–今 · 生于美国宾夕法尼亚州威尔克斯-巴里 · 美国
为了造一台更好的原子钟去给原子刹车,结果把探测光放错了位置,量出的温度只有理论下限的六分之一
诺贝尔物理学奖 1997 发展用激光冷却和囚禁原子的方法
「我坚信,无论是实际应用上的进步,还是基本认识上的进步,最好都来自同时怀着这两种目的的研究。」
—— 1997 年 12 月 8 日诺贝尔演讲《中性原子的激光冷却与囚禁》结语,据英文原文译
菲利普斯投身激光冷却,起因很实际:他在美国国家标准局工作,想造更准的原子钟,而原子飞得太快,是原子钟精度的死结。二十年后回头看,他说这个领域的进步既来自这类实际需求,也来自纯粹想弄明白「冷却究竟是怎么回事」的好奇心;让他拿到诺贝尔奖的那项发现,属于后一种。
煤矿区社工家的孩子
他的母亲出生在意大利南部的小村庄,七岁随家人移民到宾夕法尼亚,因为不会说英语被同学嘲笑,于是发愤读书,高中毕业时名列前茅。父亲是木匠的儿子,祖上是参加过独立战争的威尔士人。两人都是家族里第一个上大学的,读的都是同一所小小的朱尼亚塔学院,一个是意大利天主教徒,一个是威尔士裔卫理公会信徒,经一位教授牵线认识,结婚,拿了硕士学位,在宾州的无烟煤矿区做社会工作者。
父母对科学没有特别的了解,却一直支持他。他在地下室搭了个实验室,「对石棉、电和紫外线的危险一无所知」,玩火、炸药、火箭和碳弧,常常把家里的断路器全跳闸。晚饭桌上讨论政治、历史和时事,孩子的意见会被认真听,但得抢着说。他后来说,高中的辩论赛让他会讲学术报告,写作课让他会写论文,法语课则让他日后与巴黎科恩-塔诺季组的合作顺畅得多。
克莱普纳组与一个没实现的预言
1970 年,他在几周之内毕业、和高中同学简结婚、度蜜月、搬到波士顿,进了麻省理工学院克莱普纳的组。他说选这里主要是被组里友好又活跃的气氛打动,再加上简想回新英格兰,「此后我凭心做的决定,没有一个后悔过」。
博士论文测的是水中质子的磁矩,到他写自传时仍是同类测量里最好的结果。那时可调谐染料激光器刚进实验室,他在克莱普纳鼓励下又做了一个激光激发原子碰撞的实验。1976 年的毕业派对上,克莱普纳说幸亏他做了这个激光实验,不然大概会去国家标准局——两年后他果然去了国家标准局,只不过是带着激光去的。
博士后期间,他参与了克莱普纳与格雷塔克在自旋极化氢原子里实现玻色-爱因斯坦凝聚的尝试。起初大家信心满满,他在 1997 年写道:二十二年过去了,氢的凝聚还在「近在眼前」。(第二年,那个组终于成功了。)
给原子刹车
1978 年他读到贝尔实验室阿什金的一篇论文:先用激光把钠原子束减速,再用聚焦的光把原子关起来。他在 MIT 的原子束上试了一下,把激光迎着原子束照过去,发现离炉口近的原子亮、远处的就暗了——原子吸收百来次就被光抽运到另一个能级,不再理睬激光。
到了国家标准局,他用借来的设备和主管不知从哪儿弄来的一点经费开了工,1979 年又拿到海军研究办公室的资助。石溪大学的梅特卡夫来访,看过他列的几种方案后说,每种都行,但塞曼减速器「最好玩」,就做它。事实证明他说的是对的,而且这个方案刚好顺便解决了光抽运的问题:螺线管里始终有很强的轴向磁场,量子化轴确定,选择定则把原子锁在一对能级之间循环三万次也不出错。
最早的螺线管只有几段绕组,靠电扇吹或者裹上湿毛巾降温。后来改用水冷,线圈之间抹上白色硅脂帮助导热——那硅脂的颜色和质地跟他当时给两个女儿抹的尿布疹药膏差不多,有一阵子他无论在家还是在实验室,都是两手白油。电解作用不断把线圈烧坏,常常刚拿到数据就得重绕一个。他们换过一种黑色橡胶状的封装树脂,据说防水,结果它什么都粘不住,「除了衣服和人的皮肉」。
让原子真正停下,靠的是一只精心配平、高速旋转的开孔转盘,按顺序放出几毫秒的减速光、一段暗区和几百微秒的补刀光。1985 年,原子终于停在了观测区里。
3 月 15 日,他们第一次把原子关进一对线圈做成的磁阱,信号虽然嘈杂但确凿无疑,梅特卡夫在记录纸顶上写了一个大大的「WAHOO!!」。晚上原子在阱里待不久,他们出去吃快餐,回来发现信号好多了——原来磁铁在晚饭时凉了下来,不再放气,真空变好了。数据一直采到凌晨五点。早上六点左右,准备出门上班的简发现丈夫和梅特卡夫坐在自家厨房里吃冰淇淋,梅特卡夫向她保证,他们那晚干成了一件相当重要的事。
探测光放错了地方
1987 年,他的组仔细研究朱棣文刚做出来的光学黏团,发现原子在里面停留时间随激光失谐的变化,和多普勒冷却理论对不上。论文结尾他们只能猜测,也许钠的多能级结构、多种激光频率或原子的三维运动能解释这种「令人意外的行为」——他后来说这纯属瞎猜,却猜中了一部分。
同事莱特主张重新测温度。梅特卡夫提议用飞行时间法:关掉激光,看原子多久穿过一束探测光。图方便,探测光放在了黏团上方,结果一个信号都没有。他们花了很长时间检查探测系统,故意用激光把原子「喷」上去,信号就出来了。最后把探测光挪到下面,信号立即出现:原子的温度大约是 40 微开,它们冷得连一厘米都飞不上去。
他们仍然不敢声张。多普勒极限的推导简单有力,谁都知道钠不是二能级原子,可谁都觉得这无关紧要。他们又用释放-重捕获法、「喷泉」法和「淋浴」法各测了一遍,都低于极限。1988 年早春,他把论文草稿寄给各个激光冷却小组,还亲自跑去几个实验室当面讲。许多人怀疑,而科恩-塔诺季和朱棣文那边的回答是:进实验室看看是不是真的。
几年前在芬兰的一次小会上,他常开玩笑说数据里解释不了的地方都能推给光抽运。巴黎高师的达利巴私下对他说:「比尔,在巴黎高师,光抽运可不是开玩笑的。」答案果然就在光抽运里:偏振梯度、光频移与光抽运合起来,构成了达利巴与科恩-塔诺季提出的西西弗冷却。1988 年夏天在巴黎开会时,他们推断温度对磁场的异常敏感,是因为塞曼频移与只有约一兆赫的光频移相当,由此提出一个检验:光强高时磁场的影响应该变小。他从巴黎打电话回盖瑟斯堡让同事去测,结果正如所料。
印象派时代的巴黎
1989 到 1990 年,他在巴黎高师访问了一年,与那里的同事一起把铯原子冷到 2.5 微开。博尔德的霍尔当时说,身处激光冷却领域,就像印象派时代身在巴黎。演讲里配的一张照片,是他、梅特卡夫和科恩-塔诺季站在莫奈吉维尼花园的那座桥上。
同一时期,他的组测黏团里原子发出的荧光光谱,看到一个意想不到的窄峰,一度排除了「是不是已经玻色-爱因斯坦凝聚了」这种狂想,才明白原子被光频移形成的周期势阱关在了不到一个波长的范围内——这是他们研究光晶格的开端。1998 年 2 月,他的实验室也做出了钠原子的玻色-爱因斯坦凝聚。
信仰
1979 年,他和简加入了盖瑟斯堡的费尔黑文联合卫理公会,吸引他们的是会众在族裔与种族上的多样。他在诺贝尔演讲的致谢最后写道:感谢上帝提供了一个如此奇妙、引人入胜的世界让我们探索,并允许他与这么好的朋友和同事一起去认识它。
获奖后他收到一封给女儿们的信,写信人的父亲 1950 年得过诺贝尔生理学或医学奖。她当年在外地上学,拍电报向父亲道贺,父亲回电:「我为你骄傲,胜过为任何奖。」菲利普斯把这个故事写进了自传。
代表方程
多普勒冷却极限
频率略低的对射激光给原子一个与速度成正比的阻力,而每个光子被随机吸收、发射时的反冲又在给原子加热,两者平衡时的最低温度由激发态衰减率 决定。钠原子算出来是 240 微开,推导对二能级原子无懈可击。1988 年他的组测到 40 微开——钠有多个塞曼子能级,这个「极限」对真实原子并不成立。
塞曼减速器的共振条件
迎着激光飞的原子看到的激光频率被多普勒效应抬高了 ;原子一减速,这一项就变小,原子便会失谐。办法是让原子穿过一个绕线由密到疏的螺线管,磁场 沿路减弱,塞曼频移随之变小,恰好跟上速度 的下降,左右两边始终相等,原子一路保持共振、一路被刹车。 是跃迁上下能级磁矩之差。
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:威廉·菲利普斯自传(1997)
- 2.菲利普斯《诺贝尔演讲:中性原子的激光冷却与囚禁》,《现代物理评论》第 70 卷第 721 页(1998)
- 3.菲利普斯、库克与克莱普纳《以玻尔磁子为单位的水中质子磁矩》,《计量学》第 13 卷第 179 页(1977)
- 4.阿什金《用共振辐射压囚禁原子》,《物理评论快报》第 40 卷第 729 页(1978)
- 5.菲利普斯与梅特卡夫《原子束的激光减速》,《物理评论快报》第 48 卷第 596 页(1982)
- 6.普罗丹、米格达尔、菲利普斯、索、梅特卡夫与达利巴《用激光让原子停下》,《物理评论快报》第 54 卷第 992 页(1985)
- 7.米格达尔、普罗丹、菲利普斯、伯格曼与梅特卡夫《首次观测到磁囚禁的中性原子》,《物理评论快报》第 54 卷第 2596 页(1985)
- 8.莱特、沃茨、韦斯特布鲁克、菲利普斯、古尔德与梅特卡夫《观测到激光冷却到多普勒极限以下的原子》,《物理评论快报》第 61 卷第 169 页(1988)
- 9.莱特、菲利普斯、罗尔斯顿、坦纳、沃茨与韦斯特布鲁克《光学黏团》,《美国光学学会杂志 B》第 6 卷第 2084 页(1989)
- 10.萨洛蒙、达利巴、菲利普斯、克莱龙与盖拉蒂《把铯原子激光冷却到 3 微开以下》,《欧洲物理快报》第 12 卷第 683 页(1990)
- 11.耶森、格尔茨、莱特、菲利普斯、罗尔斯顿等《观测到光场中铷原子的量子化运动》,《物理评论快报》第 69 卷第 49 页(1992)——光晶格