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对于单个粒子来说，经典物理学定律已不再适用，量子物理学开始“接手”。但从环境中分离出单个粒子并非易事，而且一旦粒子融入外在世界，其神秘的量子性质便会消失。两名“粒子猎人”一起获得了2012年诺贝尔物理学奖，他们分别是法国物理学家赛日尔·阿罗什和美国物理学家戴维·瓦恩兰。两位科学家证明，他们能够直接观测单个的量子粒子而又不破坏它们，从而开创了量子物理实验的一个全新纪元。
难以观测的粒子
两千多年前，古希腊哲学家德谟克利特就认为，物质是由原子组成的。“原子”一词的英文就来自希腊文，含义为“不可分割的”。
但是，直到18世纪才开始有现代意义上的原子理论，而原子的真正奥秘则直到20世纪才开始被揭示。这究竟是为什么呢？因为原子实在太小了，看不见、摸不着。如今我们知道，原子并非是“不可分割的”，它是由更小的粒子所组成的。
所谓粒子，是指构成物质的比原子核更简单的物质，包括电子、质子、中子、光子、介子和超子等。科学家最早发现的粒子是电子和质子，1932年又发现了中子，确认原子由电子、质子和中子组成。以后发现的粒子越来越多，累计已超过几百种，且还有不断增多的趋势。
后来，科学家还发现，微观世界的粒子所遵循的物理规律和宏观世界有所差异。宏观世界的能量是连续的，而微观世界的能量是按照最小的单元跳跃式增长。这种能量的最小单元称为量子。在此基础上建立起来的物理学称为量子物理学，原子、电子、光子等粒子的活动则遵循量子物理学的相关定律。
有意思的是，量子物理学虽然表述的是微观粒子的活动规律，却是在宏观观测的基础上建立起来的。也就是说，物理学家观测粒子的宏观活动，然后推测出这些粒子的微观量子特征。
我们知道，在传统物理学领域，我们要了解某个物体的特征，可以直接观测单个的物体。比如，我们要总结滚动摩擦的特性，可以用一辆带轮子的小车来做实验。那么，为什么量子物理学家不直接观测单个粒子呢？这是因为单个粒子实在太小，且太活泼了，要找到单个的粒子就已经很不容易了，即使找到它们，它们也不会按照某种规律停留在某个地方或某个轨迹上。
捕捉光子的陷阱
由于粒子太小太活泼，于是科学家自然就想到设置个“陷阱”去困住这些粒子。这个思路听起来很简单，似乎常人都能想到。但是，设置这个陷阱却是个高难度的事情，一度被科学界认为是不可能的事情。法国物理学家赛日尔·阿罗什却率先完成了这个似乎不可能的任务。
阿罗什（右）在进行光子阱实验 
瓦恩兰在设计原子钟
从1990年开始，阿罗什就在设法完成这个任务。最终，他在接近绝对零度（零下273摄氏度）的温度条件下，用两个高性能超导体充当的反光镜组成了一个光学陷阱。这种陷阱的科学术语为“高反射光学微腔”，或“光子阱”。
接下来，阿罗什成功地把一些光子引入到光子阱中。这些光子被困在反光镜陷阱中的时间仅仅为0.1秒。这个时间对我们普通人来说实在太短了，也不过一眨眼的时间。但是，对于量子物理学家来说，这个时间已经足够长了。
在这短短0.1秒的时间内，光子不断反弹的总移动距离居然高达3万千米，足以做很多测量和操控动作。阿罗什就是抓住了这个转瞬即逝的机会，将一个极为活跃的“里德博原子”送入“陷阱”中作为探针。这个原子在捕获光子后，将单个光子的量子信息呈现出来，就如同X光描绘出人体的内部构造一样。
阿罗什早在20年前就设置出光子阱，而且他一直坚持从事这个领域的研究，并不断获得新的突破。2011年，阿罗什在光子阱实验中引入反馈机制。当发现光子阱中的光子数变少时，他就注入新光子，令光子阱中保持固定数目的光子。采用这样的方法，就好像把一些光子永久地困在了光子阱中，这超越了爱因斯坦的希望——将光子困住几秒。
阿罗什花了很大的力气来建立光子阱，但是他曾经也不太清楚他的研究成果究竟会有什么实际应用。他说：“如果你像我们一样研究单个的粒子，那么你将可以以一种奇妙的方式来揭示量子力学，并且你也可以研究所有的量子过程。”也许，好奇心才是驱动他一生进行这项研究的动力，而研究工作本身就是对他最好的报答。
阿罗什在接到获奖的电话通知时正与妻子一起回家，他说：“我很幸运，我在街上走着，正好经过一个长椅，所以我就马上坐下来……当我看到是瑞典的号码时，我就知道好事来了，你知道那种感觉势不可挡。”
量子计算机通过操控粒子的量子状态来快速传输信息（漫画）。
捕捉离子的陷阱
在阿罗什的实验中，光子是被囚禁的粒子，而原子是探针。而美国科学家戴维·瓦恩兰设计的实验正好与之相反，他把离子（即带电的原子）囚禁起来，用光子作为探针去探测和操控它。
1975年，瓦恩兰被聘为美国国家标准技术研究所物理研究员。在那里，他成为离子储存团队的负责人。应用激光冷却离子技术，这个团队制造出了至2012年为止最准确的原子钟。正是在研制原子钟的过程中，瓦恩兰设计了捕捉离子的陷阱。阿罗什是用光学陷阱来囚禁光子，瓦恩兰则用电磁场作为陷阱来囚禁离子，这个陷阱的科学术语因此称为“离子阱”。为了确保被囚禁的是单个离子，需要这个实验在超高真空和超低温的条件下进行。要实现这些条件又是十分高难度的事情。最终，瓦恩兰完成了对单个离子的囚禁，测得了单离子的量子信息。
难以观测的粒子
两千多年前，古希腊哲学家德谟克利特就认为，物质是由原子组成的。“原子”一词的英文就来自希腊文，含义为“不可分割的”。
但是，直到18世纪才开始有现代意义上的原子理论，而原子的真正奥秘则直到20世纪才开始被揭示。这究竟是为什么呢？因为原子实在太小了，看不见、摸不着。如今我们知道，原子并非是“不可分割的”，它是由更小的粒子所组成的。
所谓粒子，是指构成物质的比原子核更简单的物质，包括电子、质子、中子、光子、介子和超子等。科学家最早发现的粒子是电子和质子，1932年又发现了中子，确认原子由电子、质子和中子组成。以后发现的粒子越来越多，累计已超过几百种，且还有不断增多的趋势。
后来，科学家还发现，微观世界的粒子所遵循的物理规律和宏观世界有所差异。宏观世界的能量是连续的，而微观世界的能量是按照最小的单元跳跃式增长。这种能量的最小单元称为量子。在此基础上建立起来的物理学称为量子物理学，原子、电子、光子等粒子的活动则遵循量子物理学的相关定律。
有意思的是，量子物理学虽然表述的是微观粒子的活动规律，却是在宏观观测的基础上建立起来的。也就是说，物理学家观测粒子的宏观活动，然后推测出这些粒子的微观量子特征。
我们知道，在传统物理学领域，我们要了解某个物体的特征，可以直接观测单个的物体。比如，我们要总结滚动摩擦的特性，可以用一辆带轮子的小车来做实验。那么，为什么量子物理学家不直接观测单个粒子呢？这是因为单个粒子实在太小，且太活泼了，要找到单个的粒子就已经很不容易了，即使找到它们，它们也不会按照某种规律停留在某个地方或某个轨迹上。
捕捉光子的陷阱
由于粒子太小太活泼，于是科学家自然就想到设置个“陷阱”去困住这些粒子。这个思路听起来很简单，似乎常人都能想到。但是，设置这个陷阱却是个高难度的事情，一度被科学界认为是不可能的事情。法国物理学家赛日尔·阿罗什却率先完成了这个似乎不可能的任务。
从1990年开始，阿罗什就在设法完成这个任务。最终，他在接近绝对零度（零下273摄氏度）的温度条件下，用两个高性能超导体充当的反光镜组成了一个光学陷阱。这种陷阱的科学术语为“高反射光学微腔”，或“光子阱”。
接下来，阿罗什成功地把一些光子引入到光子阱中。这些光子被困在反光镜陷阱中的时间仅仅为0.1秒。这个时间对我们普通人来说实在太短了，也不过一眨眼的时间。但是，对于量子物理学家来说，这个时间已经足够长了。
在这短短0.1秒的时间内，光子不断反弹的总移动距离居然高达3万千米，足以做很多测量和操控动作。阿罗什就是抓住了这个转瞬即逝的机会，将一个极为活跃的“里德博原子”送入“陷阱”中作为探针。这个原子在捕获光子后，将单个光子的量子信息呈现出来，就如同X光描绘出人体的内部构造一样。
阿罗什早在20年前就设置出光子阱，而且他一直坚持从事这个领域的研究，并不断获得新的突破。2011年，阿罗什在光子阱实验中引入反馈机制。当发现光子阱中的光子数变少时，他就注入新光子，令光子阱中保持固定数目的光子。采用这样的方法，就好像把一些光子永久地困在了光子阱中，这超越了爱因斯坦的希望——将光子困住几秒。
阿罗什花了很大的力气来建立光子阱，但是他曾经也不太清楚他的研究成果究竟会有什么实际应用。他说：“如果你像我们一样研究单个的粒子，那么你将可以以一种奇妙的方式来揭示量子力学，并且你也可以研究所有的量子过程。”也许，好奇心才是驱动他一生进行这项研究的动力，而研究工作本身就是对他最好的报答。
阿罗什在接到获奖的电话通知时正与妻子一起回家，他说：“我很幸运，我在街上走着，正好经过一个长椅，所以我就马上坐下来……当我看到是瑞典的号码时，我就知道好事来了，你知道那种感觉势不可挡。”
捕捉离子的陷阱
在阿罗什的实验中，光子是被囚禁的粒子，而原子是探针。而美国科学家戴维·瓦恩兰设计的实验正好与之相反，他把离子（即带电的原子）囚禁起来，用光子作为探针去探测和操控它。
1975年，瓦恩兰被聘为美国国家标准技术研究所物理研究员。在那里，他成为离子储存团队的负责人。应用激光冷却离子技术，这个团队制造出了至2012年为止最准确的原子钟。正是在研制原子钟的过程中，瓦恩兰设计了捕捉离子的陷阱。阿罗什是用光学陷阱来囚禁光子，瓦恩兰则用电磁场作为陷阱来囚禁离子，这个陷阱的科学术语因此称为“离子阱”。为了确保被囚禁的是单个离子，需要这个实验在超高真空和超低温的条件下进行。要实现这些条件又是十分高难度的事情。最终，瓦恩兰完成了对单个离子的囚禁，测得了单离子的量子信息。