作者：诺贝尔物理学奖得主朱棣文 日期：2013-06-02 12:16:58
诺贝尔物理学奖得主朱棣文
吴月辉 捕风捉影难矣，捕捉以每小时4000公里速度运动的原子更难。然而，有位华人能耐大，他制服了原子，也因此捧走了 1997年诺贝尔物理奖的桂冠。 “山不在高，有仙则灵，水不在深，有龙则灵。” 斯坦福大学物理系有座很不起眼的小楼，便是这样一个藏龙卧虎之地，这里孕育了好几位诺贝尔物理学奖得主和硅谷最早的开拓者。 和朱棣文博士的谈话就在楼内的一间办公室里。室内陈设简单：一台电脑、一个书架、一张办公桌、一个沙发和几把椅子。朱棣文一边收拾桌上凌乱的书籍和文件，一边说：“我这里很乱，科学工作者大概都是这个样子。请问我坐在哪里说话比较好?”他一直闭门谢客，埋头准备诺贝尔颁奖会上要发表的学术演讲，这次是破例接受中国记者的独家采访。 他穿一件T恤衫，一个普通不过但精力充沛的人，看不出他有一顶诺贝尔奖的桂冠。因为开发用激光冷却和捕捉原子的方法，朱棣文博士和其他两位科学家获得了1997年诺贝尔物理学奖。 在美国土生土长的华裔教授朱棣文只能用英语交谈。谈话是从“光糖浆”开始的，因为正是他开发的这种奇妙方法使他跻身于诺贝尔奖得主的行列。从1901 年到现在的97年间，全世界多如繁星的物理学家仅有154人获此殊荣，其中，斯坦福出了6位。 光糖浆和聚合体 原子以每小时4000公里的速度在运动。为了准确地研究原子及其内部结构，物理学家们梦寐以求的是将原子运动的速度放慢直至相对静止的状态。朱棣文所做的就是这件事。 他开始做试验的时候是1984年，当时他是AT＆T贝尔实验室的量子电子技术部主任。1985年他取得了突破——用激光照射原子从而使其减速。原子对不同的光有不同的反应，朱棣文将激光微调到比共振稍低的频率，从6个方向撞击原子，使快速运动的原子在撞击下产生“多普勒效应”；原子吸收光，被光撞击后就被弹回去。这样，原子运动的速度就下降到每小时1/10公里。朱棣文说：“我把这种方法叫做颇有诗意的‘光糖浆’，是因为原子就像一个弹子掉到糖浆里，不管哪个方向都会被粘住，被捕捉住。”朱棣文和他的同事们还成功地设计了第一个原子陷阱，使冷却的原子不受重力的影响而下沉。 肉眼看到的在“光糖浆”里被捕捉住的原子群，就像豆子般大小发亮的一团云雾。在朱棣文的眼中，“光糖浆”如同诗一般的美丽。在别的物理学家们看来，那几乎处于静态的原子群也一定美丽异常。 使用这种方法，科学家们可以进一步了解光和物质的相互作用，特别是气体在超低温状态下的量子物理习性。70年前，爱因斯坦假设过在超低温状态下几乎停止运动的原子群(玻色—爱因斯坦冷凝物)，现在科学家们用这种方法实现了爱因斯坦的假设。目前科学家们正用这些技术来设计用于宇航的非常精确的原子钟、测量重力的原子干涉仪以及制造微小电子元件的原子激光。 朱棣文从1987年开始到斯坦福大学任教。听说他这些年来一直进行生物物理方面的研究，因此记者问：“问一个可能是外行的问题：你是否将注意力从原子物理转向了生物物理?” 他说：“你的这个问题并不外行，做生物物理方面的研究，无论理论还是实验室的设备，都与原子物理不同。但我的注意力是在生物、聚合体和物理之间。我现在继续在做原子物理方面的研究，比如激光冷却、原子捕捉、低温等等，我的实验室目前在做4个方面的实验。我们用原子干涉仪来测量原子在重力下的加速运动，精确度可以达到十亿分之一。我们还用原子来试验对称理论，如时间反向不变性。在生物学的研究方面，我们使用的是物理的技术。” 10年前，朱棣文和他的两个同事发现，用激光束(“激光镊子”)可以操纵浸没在水中的细菌等极细微的物体。现在他用这种方法来研究单独的分子聚合体。塑料、合成纤维和活细胞中的脱氧核糖核酸中都有这种聚合体。过去科学家们只能把几百万、几十亿的聚合体放在一起研究，而朱棣文的实验室则可以研究个体的聚合体。朱棣文和他的学生还用“激光镊子”来研究蛋白质在个体分子中的运动状态。从1993年到1997年，他们在这方面的研究成果颇丰，有10篇论文发表在《科学》、《自然》等刊物上。 “你从事生物物理方面的研究，是因为生命科学将成为下个世纪的主导科学吗?” 朱博士说：“谁也说不准生命科学会不会成为主导科学。我认为物理学将继续对所有学科的发展作出贡献。我们创造的激光镊子和还没有公布的其他研究，部分地是根据传统物理学开发出来的技术，我并不只是为了让生物学家做实验才开发出来的，我同时也是在做一个物理学家要做的事，即在更广泛的领域来从事物理学研究。现在是有一些物理学家改行成了生物学家，我倒是想可以将部分生物学领域纳入物理学。” “我从小就喜欢动手摆弄东西” 谈过深奥的物理学之后，我们的采访进入了较为轻松的话题。“诺贝尔奖的5 位华裔得主中，有4位是物理学家。这是否说明了点什么?”除朱棣文之外，其他三位华裔诺贝尔物理学奖获得者是杨振宁、李正道和丁肇中。 朱棣文回答说：“实际上李远哲博士是一位物理化学家，他研究的分子束和交叉分子束和物理非常接近。所以我们可以说，5名诺贝尔奖华裔得主都是来自物理学领域的。他们之中两位是理论物理学家，其他三位是实验物理学家。没有证据说明这其中有什么必然性。当然从学业能力倾向测验(SAT)和研究生入学考试(GRE)来看，许多中国人的数学都考得很好，比英语部分要好。数学根底对于学物理是很重要的，其他学科对于数学的要求没有物理学、物理化学那么高。许多中国人学物理也许就是因为这个缘故。但是在科学上的成功，需要比考好综合性考试更多的品质，比如锲而不舍的精神，还要有常识，需要书本之外的个人经验。课本知识和考试是重要的，但仅仅学好课本和考试得高分是不够的。” 随后我们又谈到学物理的中国学生一般理论学得好些，但实验就差一些情况。朱棣文说，“情况确实如此，而这可能与他们小时候动手做东西的机会少有关。中国父母总是要求子女学好书本，不让孩子去做飞机模型和摆弄机械等事。我是在美国长大的，从小就喜欢摆弄东西，机械、马达什么的，在美国，孩子动手做东西总是受到鼓励。我想动手和不动手是一种文化上的差别。 5岁、10岁的孩子动手做些东西，对他们将来的发展大有好处，动手先要动脑筋，所以这是一件好事，而不是一件丢脸的事。” 中国的父母如今也许不会认为动手是丢脸的事，但看见孩子摆弄自行车、钟表、钢笔什么的，多半不会鼓励而会说：“哎呀，快去做作业读书吧。” 朱棣文博士说的大概就是这种情况。 朱棣文大学本科学的是物理和数学，由于成绩好，老师说他可能成为理论物理学家，所以毕业后进了加州大学伯克利分校，那里的导师要他专攻理论物理，但6个月后朱棣文就开始做自己感兴趣的实验。 虽然朱棣文强调应用物理，但他同时认为还有无数的理论问题向物理学家提出了挑战。他说：“有些报纸说，20世纪解决了所有重大的物理学问题，那是不正确的看法。” 朱棣文列举了实验宇宙学、高能粒子、原子物理和复杂系统等4个方面一些 “令人激动的问题”。第一，实验宇宙学。宇宙的命运如何?是继续扩展还是会封闭?宇宙间的多数物质还没有被观察过，90％以上的物质是看不见的。太阳还能燃烧多久?这样的问题也许对我们没有实际意义，但人类对此是有兴趣的。现在物理学家能够用硬科学的方法而不是用方法论来回答这样的问题，这是一个巨大的成就。第二，在高能粒子物理学方面也有许多问题，比如我们还没有一种微观引力理论。在宏观世界，我们可以在太阳系、银河系运用这一理论，但在微观世界，我们不能将量子力学和引力理论相结合。高能是不能在实验室里产生的，但粒子的问题对于认识宇宙最初的形成具有重要意义。也许物理学家们会找到好的方法来解决这个问题。第三，原子物理学和我们的存在有更直接的关系。由于我们对固体有了更多的了解，人类就发明了晶体管和激光。科学家们期望在这个领域将继续有对日常生活产生重大影响的新的技术发明。激光冷却和捕捉原子虽然不如激光本身那么重要，但正在对其他科学产生影响。第四，如原子、固体、压缩、聚合体等等领域，物理学将进入更加复杂的系统，我们将寻找更好的、不同的数学解释方法。比如在生物学领域，个体蛋白质是怎样形成的以及形成的方式受谁的控制。 朱棣文说：“在我从事理论物理学研究的20年中，我从来没感到过一切都已做完。在实验方面，物理学家们将继续寻找观察自然的新方法以及进行实验的新技术。” 理论与实践相结合 话题转到中国时，朱棣文首先谈到他和江泽民主席的两次会见，第一次在北京，最近的一次在洛杉矶。他说和江主席的谈话是轻松的，因为江主席做过工程师，对科技问题以及科学对于经济发展的意义非常了解。 朱棣文说，他和江主席讨论过基础研究和应用科学的问题。他说，美国和中国的领导人都重视基础研究，同时希望尽快将科学应用于实际，以提高技术水平和促进经济的发展。不但政治家这样想，工业企业的领导人也抱有同样的希望。“基础研究和应用在科学界是一个有争议的问题。在美国，一些搞基础理论研究的科学家对应用嗤之以鼻，认为应用侵犯了他们的尊严。我认为这是一种不正确的态度。我个人觉得科学家的应用研究、工程研究做得越多越好，这只会促进基础科学的研究，同时应用研究可以成为新工业的基础，为人民日常生活的改善作出贡献。” 他说，斯坦福大学做很多基础研究，但斯坦福的校园氛围与伯克利略有不同。他70年代在伯克利读博士和做博士后的时候，学生们总是说“我们关心物理的基本问题就行了”。但在斯坦福，研究生们常说的一句话是“为什么不办一个你自己的公司，看看结果怎么样呢?”硅谷就是由斯坦福教授弗雷德里克特曼开始的，他本来是一个理论物理学家，后来到斯坦福来教工程。他就鼓励学生为当地的公司打工并开办自己的公司。朱棣文说：“在美国，将基础理论实验室的成果转化成新兴工业，这个过程相当快，我不知道其中的魔力何在，但斯坦福和硅谷可以提供一些线索。” 事业生活两不误 49岁的朱棣文现在指导3个博士后、带8个研究生，每年给硕士研究生开两门课，还要在大学部做研究工作和从事自己的研究和试验。此外，他要和前妻轮流照顾两个孩子。他门下的一位博士生说，“朱棣文教授活得并不累，主要是他太爱物理学了。实际上，这门看起来有些枯燥的学问是他的兴趣所在。他一天可以工作十几小时，不觉得是个苦差事，乐在其中。” 真是知师莫如徒。朱棣文听到记者转述学生对他的观察时笑了起来。他说：“也许我不是一个非常快乐的人，但我确实非常爱我的工作，做研究，搞实验，物理学，生物聚合体，对我都是一种乐趣，一种享受。教书也是如此，虽然给学生出考题有时烦人，但多数时间是令人愉快的，备课就很有意思上课时，我觉得将自己心中关于物质的概念、物质的图象，而不仅仅是数学方程式，简明形象地告诉学生，简单而不失真，这实在是一件很愉快的事。”他的博士生金政说：“朱教授的课确实很精彩，他的口才好，讲课时趣味横生。” 朱棣文说自己是一个兴趣广泛的人。过去喜欢读小说和其他文艺作品，喜欢画画，现在太忙，只好放弃。也许退休后可以再捡起来。现在尚保留的是健身运动，如打网球、游泳、骑自行车。他说，运动使他，精力充沛感觉良好。每个星期天他骑车上山，每次两三个小时。他也喜欢烹饪。在享受生活的时候，他有时也会突然想出物理学上的一个好点子。照看孩子也许不能说是他的业余爱好，但他认为那是他的责任，他得检查他们数学学得怎样。正式采访是下午6时按约准时开始的，整个谈话一小时。分手的时候，这位诺贝尔奖得主说：“对不起让你等了半个小时。但现在我可以回家做饭去了。”