卡尔·威曼

1995 年那台做出玻色-爱因斯坦凝聚的机器，最引人注意的地方不是它有多精密，而是它有多小。埃里克·康奈尔第一次见到它时的形容是「一张牌桌就能摆下」。同一时期在麻省理工学院追同一个目标的自旋极化氢装置，「体量与复杂度都令人生畏」，追了近二十年没成。

把设备做小做便宜，是卡尔·威曼一以贯之的手法。而更少有人提的是：这条技术路线并不是为了 BEC 而开的——它是他另一项工作的副产品。那项工作是在一张实验台上测弱相互作用。

锯木厂与图书馆

威曼 1951 年生于俄勒冈州科瓦利斯。他父母新婚后开着一辆破车横穿美国，定居在俄勒冈海岸山脉的林区深处；父亲大半辈子在锯木厂当锯工。五个孩子里他排行第四。

家里没有电视。他的童年读物来自公共图书馆，管理员为他破例放宽了每次五本的上限，让他每周抱一大摞回家。他后来说，这让他对公共图书馆的价值有一种很深的感激。小学是只有三间教室的乡村学校；七年级换到费洛马斯，科学老师罗恩·托拜厄斯讲周期表里原子结构的方式，他认为比自己后来上过的所有大学课程都好。

少年时他是个认真的棋手，七到十年级痴迷国际象棋，在美国西北部同龄组排名很高，16 岁「退役」改打网球。高中毕业那个夏天他在锯木厂「拉绿链」——站在传送链边上按尺寸把木料一根根拽下来。他说后来每当厌烦学术工作，就想想那个夏天。

住在实验室里的本科生

1969 年他进麻省理工学院。新生导师是丹尼尔·克莱普纳，第一个暑假就把他收进了实验室。他在那里泡了整个本科：和研究生、博士后聊物理——其中一位是戴维·普里查德，二十年后成了康奈尔的博士导师。

大一他打校际网球和壁球，两条胳膊的肘伤先后把他淘汰。他自称 19 岁「第二次退役」，那之后才真正把全部注意力转向物理。

他的本科过得相当不像本科：尽量少上课、尽量多做实验，自己造可调谐染料激光，有自己的课题。因为常常夜里做实验、白天在体育馆冲澡，为了省房租，他干脆搬进实验室住，住了大约半年——「住实验室这事过了半年就腻了。」他自己对这段的评价是：

也许，如果有更多学生像我当年那样乱七八糟地学物理，他们当中会有更多人像我一样有干劲、有成就。

1973 年本科毕业，他为了特奥多尔·亨施的窄带染料激光（还有加州的天气）去了斯坦福。博士期间他发展出偏振光谱学，又造出第一台 480 nm 的单模连续波染料激光，用来改进氢基态兰姆移位与 1S–2S 同位素移位的测量。

在一张实验台上做粒子物理

博士快念完时，他盯上了一个当时还没人看见的东西：原子中的宇称不守恒。

电弱统一理论预言，弱相互作用会通过交换 $Z^{0}$ 玻色子在原子核与电子之间起作用。这种作用不守恒宇称，于是原本被严格禁戒的原子跃迁会出现极微弱的振幅。测出这个振幅，就等于用一台桌面上的激光装置去检验粒子物理——而且是在加速器完全够不着的低能端。他的说法是：「这提供了一种可能性——用原子物理去做重要的基本粒子物理。」

1977 年他到密歇根大学，加入一个用微波谱测氢原子宇称不守恒的组。但他自己另搞了一套描述这类实验的表述方式，用它一比就看清了：不同方案的灵敏度差得很远，用激光谱做铯的成功率要高得多。原因在方程卡里那条弱荷公式：信号大致随原子序数的三次方增长，而铯是激光能干净对付的最重的碱金属。

他退出氢实验自立门户，与系里资深教员闹得很僵。他后来形容那是「作为一个不懂系里政治的年轻助理教授」很脆弱的几年，自称在密歇根的七年「乏善可陈」。

1984 年 8 月，他把整个实验室连同学生的家具一起装进一辆租来的卡车，横穿大平原搬到玻尔德，落地就飞回俄勒冈和莎拉·吉尔伯特结婚。到 JILA 不到一年，第一次铯原子宇称不守恒的测量就做出来了。

这个结果向我自己、也向世界证明了我能当一个研究物理学家——在密歇根那乏善可陈的七年里，这件事一度变得相当可疑。

他随即拿到终身教职并升为正教授。1988 年的第二代测量成了电弱理论的低能检验；1997 年的第三代是压轴：精度之高，让他们第一次在原子中看到了「环形偶极矩」——原子核内部弱相互作用留下的印记。

便宜一百倍的激光

BEC 就是从这条线上岔出来的。

第三代铯实验需要新的激光技术，他和瓦茨为此开发了二极管激光。1984 年前后，两人想找点「轻松好玩的事」调剂那个漫长艰苦的项目，就拿这套技术去减速原子玩——用的激光成本只有前人的百分之一。

接着是第二项关键发明。传统的光阱要靠原子束来装载，机器就小不了。他和本科生比尔·斯旺想出了蒸气泡磁光阱：不用原子束，只要一只小玻璃泡和几只廉价二极管激光，就能从室温蒸气里直接抓住原子。激光囚禁从此从少数大组的绝活变成一项谁都能上手的技术。

再往下一步就顺理成章了：他们把激光冷却好的原子转移进磁阱，绕开光阱里光子造成的密度与温度限制。

这件事做起来出奇地容易、效果出奇地好——我们得到的囚禁原子比此前冷了约一百倍，相空间密度也相应跃升——它让我萌生了比「更好的囚禁与冷却技术」更大的野心，也就是实现 BEC。幸运的是，埃里克·康奈尔恰好在那时（1990 年）加入进来，一起去追这个目标。

后面的事写在发现页里：一个射频刀口把最热的原子一层层削掉，剩下的原子重新热化、越削越冷；康奈尔的 TOP 阱补上了磁阱底部漏原子的那个洞；1995 年 6 月 5 日，飞行时间图像的正中长出了一个又窄又亮的峰。论文 7 月 14 日发表在《科学》上，署名是安德森、恩舍尔、马修斯、威曼、康奈尔。

康奈尔后来总结从威曼身上学到的方法论，恰好是这台小机器的设计哲学：

卡尔教我先判断装置的哪一部分真正要紧，然后不惜代价把那一部分做好。反过来，他也强调要认得出哪里「够用就是够用」，不要在那上面浪费一分钟。

十七年的优等生，为什么不会做研究

2001 年的诺贝尔奖差不多是这条线的终点。他的下半场从一个困惑开始，而那个困惑在实验室里困扰了他很多年：

新来的研究生进我实验室时，已经在课堂上连着成功了十七年；可一给他们研究课题，他们就完全不知从何下手。更糟的是，常常看起来他们连物理到底是什么都还没弄明白。

可接着会发生一件神奇的事：在我的实验室里干上短短几年，和我、和其他学生混在一起，他们就变了。某一天我会突然意识到，他们现在是内行的物理学家，是真正的同行了。

他半开玩笑地提了一个假说：人脑大概要先过十七年的「毛毛虫」阶段，才会突然变成物理学家「蝴蝶」。然后他说，这个解释他不满意——于是把它当成一个科学问题来处理。

他自己的教学也给了他一记。年轻时他用的是最常见的办法：先把一个题目想透，然后讲给学生，让他们获得同样的清晰。

但我是实验方法的虔诚信徒，所以我总要测量结果。而每当我认真去弄清学生到底学到了什么，答案都很清楚：这套办法就是不管用。

他和凯瑟琳·珀金斯做过一个很狠的小实验：在课上讲一个并不显然的事实，配好插图，15 分钟后随堂测——大约 10% 的学生记得。他后来在美国一所顶尖物理系做报告时，对在座的教授和研究生原样重做了一遍，结果还是 10% 左右。

更扎心的是那条大范围的测量结论：

平均而言，学生上完一门物理导论课之后，他们关于物理的信念比开课时更像新手；几乎每一门被测量过的导论课都是这样。

他补了一句：化学的情况「如果说有区别，那是更糟」。

像做科学一样教科学

他给出的诊断是新手与专家的分界：

新手把物理课的内容看成一堆孤立的信息——由权威递下来、和身边的世界无关，只能靠背。对新手来说，解题不过是把题型对上某个背下来的套路。而专家——也就是物理学家——把物理看成一套由实验确立、用来描述自然的、互相连贯的概念结构。

所以「教会内容」和「让人变成专家」根本是两件事。为什么讲授制在后一件事上注定低效，他引的是认知科学的硬约束：人的短时工作记忆大约只能同时握住七项不同的东西，一次能加工的概念不超过四个；而一堂一小时的科学讲授课要求学生记住并处理的新条目，比这多得多。

他主张的做法有三条：结论要建立在客观数据上，而不是轶事和传统；教学成果要像学术成果那样发表、复用、迭代——他把每换一位老师就从零重造一门课的做法叫作「重新发明方轮子」；以及，充分利用现代技术。

最有名的一次验证是 2011 年那个对照实验：一门大班物理课拆成两个平行班，一个班照旧由资深教授讲授，另一个班由受过训练的新手用基于研究的教学法上一周，期末同一张卷子——两个班的差距大到不像同一门课。2014 年他又为一份涵盖两百多项研究的元分析写了评论，标题直接说：大规模比较给出了清晰的结论。

PhET 与科学教育计划

2002 年，他用诺贝尔奖金的一部分加上国家科学基金会的资助，在科罗拉多大学创办了 PhET 交互式模拟。缩写原本是「物理教育技术」，但它早就不止物理——现在覆盖化学、生物、地球科学与数学，一百二十多个免费模拟，每年的使用量以亿次计。

2006 年 3 月，科罗拉多大学启动科学教育计划，校方承诺每年一百万美元、为期五年。次年他转赴不列颠哥伦比亚大学，主持卡尔·威曼科学教育计划。这套模式的要点不是办讲座教教授怎么讲课，而是用竞争性拨款发给院系，院系拿这笔钱雇「学科教育专家」——既懂本学科、又受过教育学训练的人，以课程顾问的身份和教授一门课一门课地搭档改。2017 年他把这段经验写成了一本书。

2010 到 2012 年，他在白宫科技政策办公室任科学副主任。2013 年起他到斯坦福，由物理系与教育研究生院联合聘任——这个双聘本身就是他后半生的写照。2020 年他获得一丹教育研究奖，奖金约四百万美元，他说要投进 PhET。