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如何评价2022沃尔夫物理学奖得主以及他们的贡献?

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2022沃尔夫物理学奖:揭示宇宙奥秘的两位巨匠

2022年的沃尔夫物理学奖,一项享有盛誉的科学界大奖,颁给了两位在量子光学和超冷原子物理领域做出划时代贡献的科学家:阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)和约翰·克劳泽(John Clauser)。他们的获奖,是对量子力学基本原理深刻探索的肯定,更是对未来量子技术发展的奠基性工作。

这两位科学家之所以能够摘得桂冠,是因为他们通过一系列精妙绝伦的实验,以无可辩驳的证据证明了量子纠缠的非定域性,从而有力地驳斥了爱因斯坦等人提出的“隐变量理论”,确立了量子力学的完备性。 这项成就,其重要性不亚于奠定了经典物理学基石的牛顿,也足以与揭示相对论的爱因斯坦比肩。

阿兰·阿斯佩(Alain Aspect):量子世界的“信号侦探”

法国物理学家阿兰·阿斯佩,无疑是量子力学实验验证领域的先行者和集大成者。他的实验设计之巧妙,逻辑之严谨,至今仍被奉为圭臬。

阿斯佩教授在20世纪80年代初进行的一系列实验,直接且有力地挑战了爱因斯坦提出的EPR佯谬(EinsteinPodolskyRosen paradox)。EPR佯谬的核心在于,量子力学似乎描述了一种“幽灵般的超距作用”,即两个纠缠粒子的状态会瞬间关联,无论它们相距多远。爱因斯坦认为这违背了相对论的定域性原理,因此推测量子力学可能是不完备的,存在着我们尚未发现的“隐变量”来决定粒子的行为。

阿斯佩教授的实验巧妙地利用了纠缠光子对。他首先通过一种特殊的晶体产生一对相互纠缠的光子。这两个光子的极化方向是相互关联的,例如,如果一个光子的极化方向被测量为垂直,那么另一个光子的极化方向就会被瞬间确定为水平(或者反之,取决于具体的纠缠态)。

阿斯佩实验的精妙之处在于,他设计了一种“快速开关”的测量装置。 在光子离开光源后,他可以非常快速地改变测量装置中偏振器的角度。更重要的是,这个改变是随机且不可预测的。这意味着,当一个光子被测量时,另一个光子所处的“环境”——也就是其测量仪器的方向——是在它已经离开光源、远离第一个测量点之后才随机决定的。

为什么这一点如此关键? 如果存在隐变量,那么这两个光子的行为应该在它们被测量之前就已经被“预先设定”好了。然而,阿斯佩的实验表明,即使测量器的方向是在光子飞行过程中随机改变的,它们之间的关联性依然存在,并且其统计结果与量子力学预测的一致。

他巧妙地利用了贝尔不等式(Bell's inequality)。 贝尔不等式是物理学家约翰·斯图尔特·贝尔提出的一个数学定理,它为区分定域实在论(隐变量理论)和量子力学提供了判据。如果隐变量理论成立,那么实验结果必须满足贝尔不等式。而如果量子力学是正确的,那么在某些情况下,贝尔不等式将会被违反。

阿斯佩的实验结果,显著地违反了贝尔不等式。这意味着,爱因斯坦所担心的“幽灵般的超距作用”确实是量子世界真实存在的性质。粒子之间的纠缠,是一种超越时空限制的深刻联系。

阿斯佩教授的贡献,不仅仅是证明了量子纠缠的真实性,更重要的是,他用严谨的实验数据,为我们理解量子世界的本质扫清了最大的迷雾之一。 他的工作,为后来的量子信息科学、量子计算和量子通信等领域奠定了坚实的理论和实验基础。

约翰·克劳泽(John Clauser):揭示量子世界“诡异”的先驱

约翰·克劳泽,这位美国物理学家,是首位进行量子纠缠实验检验的科学家。他的开创性工作,为阿斯佩后续更精密的实验铺平了道路,也为整个量子物理学研究开辟了新的方向。

在阿斯佩之前的20世纪70年代,克劳泽教授就开始着手设计和执行他的实验。他同样关注EPR佯谬和贝尔不等式。他的实验也利用了纠缠光子对,但其技术和实现方式与阿斯佩的略有不同。

克劳泽的实验,首次在实验上对贝尔不等式进行了检验,并观察到了其违反的现象。 他当时使用的技术虽然不如后来的阿斯佩实验那么精妙,但其核心思想是相同的:通过测量纠缠粒子对的关联性,来检验定域实在论和量子力学之间的区别。

克劳泽实验的意义在于其“首次”的突破性。 在他之前,EPR佯谬和贝尔不等式更多地停留在理论层面,是物理学家们讨论和辩论的焦点。是克劳泽,将这些深奥的理论带入了实验室,用实际测量数据来回答这些根本性的问题。

他的实验证明了,爱因斯坦等人提出的“隐变量”并不能完全解释量子世界的行为。粒子之间的关联,并非来自于某种隐藏的、预先确定的指令,而是量子力学固有的、非定域的特性。

克劳泽的早期工作,虽然存在一些“漏洞”(例如,未能完全排除所有可能的隐变量影响,以及测量效率问题),但这并不妨碍其历史性的地位。 正是他的勇气和创新精神,激发了后来的物理学家,包括阿斯佩,去设计更完善、更严谨的实验,最终彻底封堵了“定域实在论”的可能性。

可以形象地说,克劳泽是那个敢于第一个吃螃蟹的人,他用自己的实验证明了量子世界确实“很诡异”,并且这种“诡异”是可以被科学证实的。

共同的荣耀:量子力学基石的坚守者

虽然阿斯佩和克劳泽在实验细节和技术实现上有所差异,但他们共同的贡献在于:通过一系列卓越的实验,为量子纠缠的非定域性提供了无可辩驳的证据,从而彻底巩固了量子力学的正确性,并否定了爱因斯坦等人的定域实在论。

他们的工作,不仅是量子物理学史上的里程碑,更是对人类理解宇宙基本运作方式的深刻贡献。

奠定了量子信息科学的基础: 量子纠缠是量子计算、量子通信和量子密码学等领域的基石。没有对量子纠缠非定域性的深刻理解和实验证实,这些颠覆性技术将无从谈起。
推动了我们对现实本质的思考: 量子纠缠的非定域性,挑战了我们基于经典物理学形成的直观认知。它迫使我们重新审视“实在”的含义,理解宇宙可能存在着我们尚未完全把握的深刻联系。
为未来的科学探索指明方向: 他们的实验成果,为更多基于量子力学基本原理的科学研究打开了大门,鼓励着下一代科学家去探索更多量子世界的奥秘。

阿兰·阿斯佩和约翰·克劳泽,这两位杰出的科学家,用他们严谨的科学态度、非凡的实验智慧和对真理的不懈追求,不仅赢得了沃尔夫物理学奖的最高荣誉,更在人类科学史册上留下了浓墨重彩的一笔。他们是对量子力学“诡异”之处最有力、最清晰的证明者,是探索宇宙终极奥秘的伟大先行者。

网友意见

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Anne L’Huillier、Paul Corkum和Ferenc Krausz因在超快激光科学和阿秒物理领域的开创性和创新性工作,以及展示原子、分子和固体中电子运动的时间分辨成像而共同获得2022年沃尔夫物理学奖。他们每一个人都对技术发展和阿秒物理学的发展及其在基础物理研究中的应用做出了杰出的贡献,可谓实至名归。

阿秒物理学(Attosecond physics),也称为阿托物理学,或更一般地称为阿秒科学,是处理光与物质相互作用现象的物理学分支,其中阿秒(10 -18秒)光子脉冲用于以前所未有的时间分辨率解开物质中的动力学过程。

原子、分子和固体中电子运动的自然时间尺度是阿秒(1 as= 10 -18 s),这一事实是量子力学定律的直接结果。因此,三人的研究成果对量子力学、原子物理学,以及包括先进二维材料中的性质、载流子包络相位异常、铁磁材料中的自旋动力学等的固态物理学领域影响深远。

阿秒物理学获得沃奖没有太多惊喜,它属于方法论,是各大奖项所青睐的主题,其意义之于冷冻显微术对结构生物学。去年的物理学奖是颇具争议的一届,很多人大呼“理论物理学完矣”,今年的物理学奖大概率要回归往常,从2005(光学相关的量子理论、光梳技术)-2009(光纤及CCD)-2012(单个原子的操纵)-2014(蓝光led)-2018(激光科学)的时间间隔来看,时隔4年,2022年授予原子分光物理、应用物理学的概率很大,那阿秒物理学恰好兼顾了光学及传统物理学、理论物理及应用物理,并且Paul Corkum和Ferenc Krausz在业内也已经获得了诸多的奖项,由他两分享今年的物理学奖是很有可能的,至于Anne L’Huillier有瑞典皇家科学院院士的身份,能不能获奖我倒觉得不是避不避嫌的问题,毕竟她从2015年开始就已退出委员会(参考2015年诺贝尔化学奖托马斯林达尔),而是成果与另外两位相比似乎还是弱了一些。


Anne L’Huillier(生于1958年),法国国籍,是瑞典Lund University的教授,瑞典皇家科学院院士,曾任诺贝尔物理学奖评委会成员,2012、2014年的诺贝尔物理学奖宣布会上曾上台科普获奖成果并回答记者提问,2015年担任诺贝尔理学奖评委会主席,同年退出诺贝尔物理学奖委员会;

Paul Bruce Corkum(生于1943年),加拿大国籍,University of Ottawa阿秒物理学研究所所长,英国皇家学会会员;2013年King Faisal International Prize得主,2013年Harvey Prize得主,2015年引文桂冠奖得主;

Ferenc Krausz(生于1962年),匈牙利-奥地利国籍,Ludwig Maximilian University of Munich教授,2013年King Faisal International Prize得主,2015年引文桂冠奖得主。

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