重新认识世界：丰富又奇妙的存在

通过同时学习克洛德和卡斯特勒的这两门物理课，我明白了数学和形式系统并不是一切。想要有所发现或者有所创造，除了数学上的严谨和解方程的能力，还需要更多的东西。还需要一种超越这些能力的直觉，一种想象力，能够让你想象出一个由感官无法直接接触到的世界里所发生的事情。卡斯特勒就拥有这种想象力。这种想象力让他发明了一种看待物质和光之间相互作用的新方式，开辟了当时我们从没想过的新研究领域。

在诗人、梦想家卡斯特勒之后，我不得不说说让·布罗塞尔，他是一个注重细节和追求精确的人。布罗塞尔是卡斯特勒的合作者，他将梦想家的想法与现实相调和，制造出了容纳被抽运的原子气体的玻璃气室。布罗塞尔的“独门绝学”是将石蜡覆层应用在玻璃气室的内壁之上，以确保原子已经调好方向的磁矩在被内壁反弹之后不会失去原有的方向。这是让某些原子气体能够有效地被光调向的基本保障。他还在小玻璃灯里填充了通电时会释放光子的原子气用于辐照抽运气室。利用同位素偏移，即同一元素的、原子核内含有不同数量的中子的原子，其辐射的频率略有不同，他能够制造出不同的光源，释放出的光子既可以与玻璃气室中的原子完全共振，也可以略微偏离共振。

布罗塞尔在DEA的课程中向我们介绍了所有这些。他向我们展示了在物理实验中，魔鬼就藏在细节中。仅仅只有一个好主意，哪怕是天才的好主意，也是不够的。为了让它得以实施，我们还必须考虑到现实生活中的、所有使得理想方案复杂化、扰乱思想实验的条件的因素。只有当这些干扰全部被消除或抵消后，大自然才会让我们在实验室里看到我们的直觉最初的想象。预见所有的困难，并找到避免这些困难的方法，往往需要相当的想象力和创造力，这些和最初构想出实验本身的想法一样伟大。

在跟着卡斯特勒和布罗塞尔上课的过程中，我看到了这种在实验研究中出现的、基本的互补性：其一是有一个想法，其二是知道如何在实验室中让它得以实现。通过比较这两位学者的课程，我深刻理解了研究者工作的一体两面。

布罗塞尔不仅给我们讲授了光抽运的内容，还向我们介绍了之前半个世纪里出现的、伟大的原子物理实验，这些实验以越来越高的精度验证了量子的概念，并最终建立了量子电动力学，其理论以超乎寻常的精度解释了原子与光之间的相互作用现象。我记得他给我们描述了奥托·施特恩（Otto Stern）和瓦尔特·格拉赫（Walther Gerlach）的实验，这两位德国物理学家在1922年发现了电子自旋的存在。这是关于“意外发现”的一个了不起的案例，引领了众多对现代科技产生巨大影响的应用和发明。

施特恩和格拉赫想测量银原子的磁矩，他们用一束简单的传播于真空中的原子束做了实验，让来自高温炉的银原子穿过磁铁中的狭缝。银原子通过磁铁之后，最终落在了一块玻璃屏上，他们原本期望能在玻璃屏上看到一个长条形的痕迹，因为原子们携带的小磁铁的方向各种各样，它们的偏转角度也是各种各样的。然而，施特恩和格拉赫并没有只看见一条黑斑，而是吃惊地发现出现了两条黑斑，这是原子角动量的空间量子化的第一次直接呈现。

对实验的分析表明，这个角动量不是由银原子外层电子的轨道运动造成的，而是由于电子内秉的自旋，这一自旋要么向上要么向下，于是导致原子在通过磁铁的缝隙时出现两个不同的轨迹，从而解释了观察到的两个斑痕。布罗塞尔向我们详细地介绍了这个实验，并展示了它是如何引导施特恩的学生伊西多·拉比（Isidor Rabi）改进了原子和分子束的方法，并开发出了能够精确测量多个原子核的磁矩的磁共振方法。这些历史性的实验为后来一系列物理进展打下了基础，包括原子钟、激光、磁共振成像和许多其他仪器的发明。

布罗塞尔还给我们讲了拉比的学生、美国物理学家威利斯·兰姆（Willis Lamb）在1947年做的实验，他测量出了以其名字命名的原子能级的移位现象（即 兰姆移位 ）。现在，我必须要谈一谈这个著名的移位，因为它在原子物理学中发挥了重要作用。自1920年代开始，量子力学就已经给物理学家们提供了数学工具，以计算出原子的精确能量，包括其基态能量以及对应被激发的电子轨道状态的能量。这一理论的准确性首先在最简单的原子——氢原子上进行验证，毕竟氢原子只有一个电子。原子内部最主要的效应，即质子对电子的电吸引，首先用非相对论方法来处理，就能够得到原子的基态和激发态的能级的良好近似值。这一计算我们要用到薛定谔方程或海森堡方程，这两个方程以两种不同但完全等价的方式呈现了非相对论的量子力学。

然后，我们要考虑我在上文中提到过的磁效应，即电子自旋与其轨道运动的耦合，并通过一种被称为 精细结构 的效应来移动原子能级。为了完整地描述这些效应，我们就必须考虑相对论，因为它提供了一个容纳所有磁现象的一致框架。即使在不存在自旋的情况下，相对论也会引入轨道修正，因为电子轨道运动的速度与光速相比不可完全忽略。 c 比这个速度 v 大一百倍左右，它产生的相对论修正约为万分之若干，也就是 v / c 的二阶小量，与磁修正的阶数相同。其实，这种一致性并不是巧合，因为磁效应其实是相对论效应，只要我们不再忽略所考察的电子速度与光速的对比，所有这些修正就会一起出现。当我们把所有这些修正结合在一起——这是英国物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）在薛定谔和海森堡的方程出现之后仅一年完成的，我们就可以非常精确地计算出氢原子的能级。而且我们发现，电子角动量等于1/2的两个最低激发态（在光谱学术语中被分别记作 ² S _1/2 和 ² P _1/2 ）应该具有完全一样的能量，用我们的话说应该是 简并 的。

然而兰姆的实验表明，这两个激发态能级被一个小能隙所分隔，该能隙的量级是这两个最低激发态与基态的能量差异的千万分之一。这是个极其精巧的能谱实验，其实现需要用与两个能级之间的跃迁共振的射频场辐照一道氢原子束，并利用这两种原子态会以非常不同的速率回落到基本能级这一事实，探测原子态从一个能级向另一个能级的转移。布罗塞尔向我们解释了关于这个实验的一切，详细介绍了兰姆遇到的问题以及他是如何解决这些问题的。

这项实验至关重要，因为它揭示了真空在量子电动力学和更普遍的物理学中的重要作用。狄拉克在他的方程中忽略的是，宇宙中的所有粒子，尤其是氢原子中的电子，都沐浴在充满量子涨落的真空之中。即使在没有光源的情况下，空间中的场也不可能完全为零。空间内存在着微小的波动（涨落），比如辐射的微小涟漪，归根结底产生于描述电磁场的量子算符的非互换性。这些涨落可以用所谓的 虚光子 的出现来描述，它们在真空中不断随机地冒出又消失。这些虚光子又可以创造出成对的电子和它的反粒子——正电子，狄拉克的理论也预言了这种粒子的存在。这些电子-正电子对在很短的时间内就湮灭了，但它们与虚光子的短暂出现填充了量子真空，并改变了电子绕原子核运行的动力学。

这些真空涨落扰动氢原子态 ² S _1/2 和 ² P _1/2 的方式有所不同，消除了两者之间的简并。兰姆的测量结果，与量子电动力学理论非常吻合，为这一理论在1940年代和1950年代获得学界广泛认可发挥了至关重要的作用。后来，物理学又让我们知道，除了电磁真空之外，还有与光子、电子和正电子以外的粒子相关的其他量子场的真空。

布罗塞尔在他的课上给我们讲述的兰姆的实验还让我有了一个终身难忘的领悟，让我想起了若干年前我在卡米伊·弗拉马利翁的《大众天文学》中读到的内容：越来越精确的测量可以带来伟大的发现。毕竟，这是勒维耶能够发现海王星的原因。此前，对天王星轨道的精确计算考虑到了其他已知行星，主要是土星和木星的存在给这颗行星的轨道运动带来的扰动。但是，人们观测到的运行轨道与考虑到这些扰动后计算出的轨道之间，仍存在着微小的差异。造成这个小小的差别的，是一颗新的、以前不为人所知的行星的存在，那就是海王星。 兰姆移位 也是如此。当关于氢原子能谱的所有已知的磁微扰和相对论微扰因素都被考虑进去之后，还存在着一个小小的差异，正是它导致了真空的物理效应的发现。测量的精确性不仅仅是研究人员无关紧要的痴迷，也不仅仅是一种导致他们寻求在其测量结果中增加越来越多位小数的强迫症。激励这种“痴迷”的动机是，在追求精确的过程中，总有可能发现一些意想不到的东西，有时甚至是具有基础重要性的东西。

在巴黎高师的第二年，无论我的兴趣最终转向哪个领域，我都见识到了量子物理学的重要性。这一点在布罗塞尔和卡斯特勒的课程中表现得尤为明显，它们关注的是可以通过新兴实验技术来研究被隔离原子的属性，不过，我在读DEA时上的其他课程也体现了这一点。我特别记得皮埃尔-吉勒·德让纳（Pierre-Gilles de Gennes）的课程，课程重点是超导电性，即某些金属在很低的温度下可以无损导电的特性。超导性在1911年被发现，然而直到我进入巴黎高师前几年的1957年，这种现象才得到了理论上的解释。理论解释了这类金属中电子的集体特性，在临界温度以下，它们的行为就像无阻力流动的流体。量子力学对理解其机制至关重要。而德让纳借此机会向我们介绍了约瑟夫森效应，这是一种电子流能够穿过分隔两个超导样品的绝缘薄壁的奇怪现象。

在这里，量子物理学再次大显身手。德让纳曾提到，约瑟夫森是和我们年纪差不多大的一位英国博士生，他发现了这个现象，因此这个现象以他的名字冠名。当时，我对“真正的研究”是什么还一无所知，但是我发现了，即使是一个刚刚踏上研究之路的年轻人，也可以为知识的进步做出贡献。我更加迫不及待地想要开始真正的研究工作。

为此，我向克洛德求助，他刚在“卡斯特勒-布罗塞尔实验室”里创立了自己的研究小组。正是他关于相对论和量子力学的课程对我产生了最重大的影响。这些课程并不涉及天文学或天体物理学，虽然最初是这些领域引导我走向科学之路的，但我已经意识到，物理学本质上是一个整体，在无限大和无限小的领域中所遇到的问题会存在共通点，而且让我对天体物理学产生兴趣的原因，即通过数学来理解世界的可能性，在探索微观世界的过程中也同样存在。

此外，正如卡斯特勒和布罗塞尔所描述的那样，原子物理学有一个优势在于，它可以在普通规模、便于个体操作的实验室中进行，而不依赖于大型的、遥远的仪器。可以这样说，原子及其在磁场中的舞蹈是“触手可及”的，因此人们可以期待一些伟大的发现。现在的我在尝试证明我的决定是合理的，但事实上，当时的我投身原子实验时没有片刻犹豫。这个选择在我看来是毫无疑问的，于是，1965年秋天，我在克洛德的指导下开始了我的硕士论文的研究。

我当时有一个由布罗塞尔准备的玻璃气室，里面有一滴液态汞。通过加热，液态汞在玻璃气室中汽化成由汞原子组成的气体。这滴液态汞是特意选择的，汞199同位素，其原子核与普通质子一样拥有核自旋-1/2，且这一自旋构成了原子的总角动量。在该原子的基态中，由于角动量组合的量子规则，电子磁性作用正好严格相互抵消。因此，这意味着我可以用一个非常简单的系统进行实验，我拥有一组实际上彼此相互独立的自旋-1/2，我可以用汞灯的光来照射这些原子（这台汞灯当然也是布罗塞尔做的），汞灯自然本质上就可以发出能够激发气体原子所需的、具有特定波长的光。很快，我就观察到了卡斯特勒和布罗塞尔在他们的课堂上所描述的光抽运信号，于是，我可以自己开始我的实验了。

在此我不会过多地描述我的硕士论文中的实验内容，但我想说一说其中一个实验给我留下的印象，说一说我第一次亲自观察到原子现象时的心境。这个实验的原理很简单。一旦原子的自旋通过光抽运确定了方向，我会突然施加一个垂直于这个方向的磁场。出于单纯的直觉，人们可能会设想，这些小原子磁铁就像指南针一样，会感应到场的存在，并齐齐地转过90°，与磁场线的方向一致。不过，我当时已经知道了足够的物理学知识，可以预测到自旋的演化会是不同的，反直觉的。

其实，每一个原子并不仅仅是一块小磁铁，还是一个旋转的“小陀螺”，力对陀螺的影响不符合单纯的直觉。如果陀螺的旋转轴与垂直方向呈一定的角度，我们可以观察到陀螺并不会在重力的作用下歪倒并越来越倾斜，而是除了绕自转轴快速旋转之外，还开始更缓慢地绕着垂直方向旋转，并且与这个方向保持一个恒定的角度。这就是角动量的垂直分量守恒的结果。重力和地面的反作用力对垂直方向施加零力矩，因此角动量在这个方向上的投影必然保持恒定，导致了陀螺旋转轴的旋进运动（进动）。

类似的效果也会发生在具有磁性的原子“小陀螺”之上。它们并不会统一与磁场平行，而是开始围绕磁场旋转，旋转频率与外加磁场的大小成正比。这就是所谓的 拉莫尔进动 ，以最先解释它的物理学家约瑟夫·拉莫尔（Joseph Larmor）的名字命名。因此，气体在与外场相垂直的沿抽运光束方向上的磁化分量开始振荡，这就实现了对样品透射光强度的调制，而我很容易就能检测到。随着时间的推移，这种振荡逐渐衰减，因为原子与玻璃气室内壁的碰撞破坏了样品的初始方向。

这是我最初做过的几个实验之一。就其本身而言，这并不是什么新鲜的内容，也不值得发表，但是它使我有机会第一次认识到我有能力导引原子。尽管我无法“亲眼”看到它们，但通过观察示波器屏幕上负责追踪自旋旋转的波动，我可以肯定，在离我很近的地方，虽然肉眼看不见但是必定存在的原子正在经历着我所预测的行为。屏幕上的那条绿色轨迹，我可以想复现多少次就复现多少次，其频率我可以通过调整外磁场大小而随心所欲地改变，这让我很着迷。

许多年后，我在爱德华·米尔斯·珀塞尔（Edward Mills Purcell）1952年的诺贝尔讲座中看到了一段话，这段话比我自己的措辞能更好地表达我当时的感受。珀塞尔和费利克斯·布洛赫（Felix Bloch）一起发现了固体和液体中的核磁共振现象，后来人们由此发明了磁共振成像。而我所做的汞实验，不过是在稀薄气体中——而不是在固体或液体中——进行的一次核磁共振实验。在我的实验中，旋转的原子核是汞核，而不是1945年由珀塞尔首次观测到其进动现象的氢原子的质子，但两者的物理原理是一样的。为了表达当时的感受，珀塞尔写道：

无论这些实验在我们的实验室里已经变得多么稀松平常，每当我意识到，[原子核的]微妙运动必定发生在我们周围的所有普通物体中、只向探索者展现自己的时候，我依然能够感受到那种惊奇和愉悦的感觉。我还记得，在七年前的冬天，我们刚做成了最初的实验，我开始用新的眼光看待落下的雪花。我的家门口落满了积雪，那是一堆堆质子在地球的磁场中静静地旋转。将世界暂时地看成某种丰富而又奇妙的存在，是许多新发现带给我们的秘密奖励。

而我本人，当时只是做了一个最简单不过的演示实验，但我却感受到了同样的惊喜。我觉得我已经触摸到了一个深邃且深藏不露的真相。原子是真实存在的，虽然我们不能在玻璃气室中用肉眼看到它们，但它们随时准备着响应我将要尝试的实验。数十亿个原子在一起绕着自己旋转，但由于它们都在协同运动，我所观察到的信号揭示了每个原子的行为，一个在磁场中独立于所有其他原子旋转的微观实体。虽然直到30年之后，我才能够真正地操纵和观察单个原子或光子，但此时我已经感觉到自己正处于一场伟大冒险的开篇中。 4yURaLus7Ix8r5oJ/CD9eQrEM/0eHMRUgeAsEI1FQt205s56PzBbbKq7oAGOxiyK