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华人物理学家叶军:做出世界上最准的钟
文章来源: 发布时间:2007-09-03 字体大小:【
    叶军是美国科罗拉多大学物理学教授、美国国家标准和技术局(NIST)与科罗拉多大学联合建立的实验天体物理实验室(JILA)研究员。2006~2007年,他的研究小组做成一台世界上最准确——每7000万年仅误差1秒——的锶原子光钟 (optical atomic clock) ,精度超过了目前存放于美国国家标准和技术局的铯原子钟,并有望取代铯原子钟成为世界新的计时标准。 
    6月21日,在德国慕尼黑召开的2007年度国际应用激光、光电技术贸易博览会上,叶军被德国科学促进者协会爱思斯特·阿贝(Ernst Abbe)基金会授予2007年度卡尔·蔡司(Carl Zeiss) 研究奖和2.5万欧元奖金,以表彰他在飞秒激光和频率光梳的实验研究方面取得的卓越成就。卡尔·蔡司研究奖的新闻公告这样写道:“叶军今年只有40岁,但已被国际同行公认为光学领域伟大的人物之一。” 
    卡尔·蔡司研究奖是世界光学领域最著名的奖项之一,此前不久,因为“在稳定和测量光频率、控制飞秒激光脉冲和测量分子瞬态等方面工作中,对提升精密测量的贡献”,叶军刚刚荣获美国物理学会颁发的2007年度拉比奖和7500美元的奖金。该奖以1944年诺贝尔物理学奖获得者伊西多·伊萨克·拉比的名字命名,由拉比家族在1989年设立,每两年授予一人,以承认和鼓励在获得博士学位后10年左右,在原子、分子和光学物理领域取得杰出成就的研究人员。2001年的诺贝尔奖获得者埃里克·康奈尔和沃尔夫冈·克特勒之前都是拉比奖的获得者。 
    “2005年,叶军的博士生导师约翰·霍尔和德国马普学会量子光学研究所所长特奥多尔·汉施获得诺贝尔物理学奖,瑞典皇家科学会将最高贵的科学桂冠授予以激光为基础的精确光谱学测量方法的发明。”卡尔·蔡司网站介绍说:“如今,在诺奖获得者工作的基础上,叶军发展出频率更稳定的激光和基于此的测量方法,一跃千里,登上世界物理学之巅。”
 
站在巨人肩上 
    叶军1967年11月出生于中国上海,1989年获得上海交通大学应用物理学学士学位,1991年获得美国新墨西哥大学物理学硕士学位,1997年获得美国科罗拉多大学物理学博士学位,他的博士导师正是约翰·霍尔。1997至1999年,他在加州理工学院作博士后研究。 
做博士是叶军科学生命中的重要一步。“回过头看,比较清晰的物理思想就是在博士阶段形成的。”叶军曾在接受《科学时报》采访时说,他在博士阶段最大的收获就是“干实事”。 
据叶军介绍,霍尔是一位非常优秀的实验物理学家,他的伟大之处是让你相信,你能用自己的双手比别人做得更好。他常说的一句话是“他们能做,但我能做得更好”。 
    “我在他手下学到的一个最好品德是做事严谨,什么事都要想想人家为什么会那样做,我们能发现做得更好的新方法吗?”叶军说。 
    叶军1999年8月回到JILA,建立了自己的实验室,虽然是独立研究,但与约翰·霍尔博士有密切合作。几年前,霍尔退休时,叶军接管了他的实验室。他在霍尔的诺奖成就——解决光梳技术最关键的实验中发挥了极为重要的作用。 
    所谓的“光梳”是指拥有一系列频率均匀分布的光频谱,这些频谱仿佛一把梳子上的齿或一根尺子上的刻度,光梳可用于测定未知频谱的具体频率。1978年,汉斯首次提出光梳的概念,20世纪末,汉斯、霍尔、叶军及其他研究人员对光梳技术进行了有效改进,测量精度达小数点后15位。 
叶军要更上一层楼,他和他的博士生、博士后们有一个共同目标:做世界上最好的原子钟。 2006年12月1日出版的《科学》杂志发表了他的研究小组的最新突破成就:《在1秒时间范围内光原子的共振》(optical atomic coherence at the 1-Second Time Scale)。美国《新科学家》杂志预言:(叶军的)这台锶原子钟将取代现存于NIST的铯原子钟,成为世界新的黄金计时标准。 
    卡尔·蔡司研究奖的网站这样评价叶军的锶原子钟:“从精度和稳定性看,他的测量装置是目前世界上测量光跃迁的锶原子钟中最领先的装置之一。专家们预测,这台钟测量时间的精度比目前保存在美国国家标准和技术局中的铯原子钟更准确……其准确率相当于7000万年差一秒。” 
    站在巨人的肩上,叶军有更大的梦想:“我在加州理工学院做博士后时受到不同风格的影响,受益很多。我的博士后导师吉夫·金博教授强调新思想和创造性思维。霍尔是很厉害的实验学家,金博是伟大的思想家,我希望自己能学到这两位导师最优秀的品质。这是每个人都可以有的梦想!”
 
    光阴的故事 
    “我现在这一分钟是经过了过去无数亿万分钟才出现的,世上再没有比这一分钟和现在更好。” 
如果将诗中的“这一分钟”换为“这一秒钟”,那么诗人惠特曼的这句诗似乎可以形容叶军今天的心情,因为他做了迄今为止世界上最好的时钟。 
    在时间的长河里,1秒只不过时钟里简单的一声“滴答”。但对物理学家来说,对这一“滴答”声的定义和测量却走过了漫长路程:1960年以前,世界度量衡标准会议以地球自转为基础,定义平均太阳日之1/86400为秒的定义,即1秒是1/60分钟,1分钟是1/60小时,而1小时则是1/24天,因此,1秒等于1天的1/86400。但是,因为地球的运转速度及与太阳的距离在改变,所以,—个正午至第二个正午的时间,并非都一样长。 
    1960年至1967年间,世界度量衡标准会议改以地球公转为基础,定义1900年为平均太阳年,秒的定义更改为“太阳年之31556925.9747分之一”。 
    在1967年召开的第13届国际计量学大会上,秒的定义进入原子时代:1秒钟被定义为铯原子电子9192631770次的固有微小振荡频率,这个标准一直沿用至今。根据量子原理,同一原子的电子在不同能量态之间跃迁时所释放的电磁波是恒定的,所以可以用这种频率作为时间间隔的精确依据。 
    时间测量的精度也在不断提高。1350年,第一座机械闹钟出现在德国。1583年,伽利略发现单摆的摆动周期与振幅无关,这是时钟历史上的一大进步。1656年,荷兰天文学家、数学家惠更斯提出了单摆原理并制作了第一座自摆钟,从此,时钟误差可以秒来计算。到1762年,最好的机械表已经能够达到每3天才差1秒钟的精度,但在航空、航海和物理学研究领域还需要更精确的计时。 
    1945年,美国纽约哥伦比亚大学物理学家拉比提出用原子束磁共振技术来做原子钟的概念。1948年,NIST用氨分子作为磁振源,制成了世界上第一台原子钟。1952年,NIST制成第一台铯原子钟,将之命名为NBS-1(是以当时的美国国家标准局〈National Bureau of Standards〉命名,简称NBS),这一命名规则一直延续到1975年的NBS-6。现在存放于NIST的铯原子钟为NIST-F1,精度为3000万年差一秒。 
    还有没有比这更精确的时钟呢?物理学家们上下求索。锶原子能级跃迁的速度比铯原子快1000倍,从理论上讲,锶原子钟比铯原子钟更准确,但是,锶原子钟制作落后于铯原子钟,因为测量频率如此之快的“滴答”声非常困难。 
    叶军做到了。为了建造更准确的锶钟,他的小组用激光束创建了一个电磁波晶格,将锶原子捕获在这个晶格中,然后,用另外一束探测激光照耀在晶格上,调整这束激光的频率直至它与锶原子电子的振荡一致。这种激光的共振可以被测量出来,从而提供了一种新的时间测量基准。 
    采用同样的原理,日本科学家曾在2005年创建出一台锶原子钟,但是这台钟对频率的测量误差为27赫兹。叶军的研究小组建造了更稳定的激光晶格,能够让光晶格更牢固,从而阻止锶原子因移动而干扰信号,他们的最新成果发表在2007年3月出版的《物理评论快报》(Physical Review Letters)上,其频率的不确定性被减小到0.4赫兹, 测量误差减小到1.1赫兹。
 
    “将小数点往后移一位,你就会发现新的真理 
    以前,卡尔·蔡司研究奖都颁发给具有很强应用前景的研究项目,如对眼睛的光力学治疗技术或  蓝光二极管的发明,但2007年度的获奖成果却是纯粹的基础研究。 
    “叶军的这项工作至今还没有工业应用的概念。但他在诺贝尔奖获得者工作上拓展出的速度和实验技术让我们深深着迷,而且他已经将这一成果应用到了相关研究领域。”卡尔·蔡司公司研究和技术部高级副总裁Augustin Siegel 在解释评审委员会的决定时说。
    我们为什么需要如此高精度的时钟?它对人类的日常生活有什么影响? 
Siegel 说:“这在远距离的摇控导航中尤其重要。计时越准确,目标的定位就越精确。”比如,锶原子钟可用于做更好的全球卫星定位系统(GPS),对30多年前发射的航行者1号进行导航。
     精确计时还可用于对宇宙常数进行重新测量。2006年,physorg.com在评价叶军的超精确测量实验工作时曾指出:“这将有助于科学家们检验自然界中的精细结构常数从宇宙形成初期到现在130多亿年的时间是否在变。”“因为精细结构常在很多物理领域得到应用,所以对它的测量是检验已有物理理论是否一致的一种方法。”
     叶军说:“我相信一句在美国物理学界广泛流传的话:将小数点往后移一位,你就会发现新的真理。小数点往后移一位,代表物理实验的精确度又增加了10倍,这个时候,往往就会看到微观世界的一些现象并不是以前的定理所描述的,需要修正,这就鼓励科学家想出新的物理办法、新的实验方法,怎么才能将小数点往后移一位。”
 
    基本物理常数真的在变吗?
     叶军说:“宇宙大爆炸理论认为,宇宙开始是一个无限小的奇点,突然爆炸后产生今天的世界,变化那么大,当时的常数有可能与现在的常数不一样。但高能物理又想将爱因斯坦的相对论引力场与量子力学结合起来,产生标准模型,大家去作不同的修正,在修正过程中会用不同的理论和常数,但怎样检验理论对不对呢?其中一个就是用基本常数来测量,如果真正测量出这些微小变化的量,那么会影响到我们对整个宇宙的理论。这是很基本的吧!”
     时间测量的精度能够再往后移几位呢?叶军相信他们的实验室能进一步提高光晶格陷阱的稳定性。他希望自己创建的时钟精度要比NIST今天的铯原子钟好100倍。
     “我想做大自然能够让人类做到的最精确的测量。我希望探索被海森堡测不准原理限制着的东西,而不是被人为的东西所限制;我希望我们做的每个实验都能达到大自然最基本的极限。我们现在还没有做到这一点,还有很多路要走。但,这是件好事情。”叶军说。
 
    叶军资料:
 学历:
 1989年获得上海交通大学应用物理学学士学位;
 1991年获得美国新墨西哥大学物理学硕士学位;
 1997年获得美国科罗拉多大学物理学博士学位。
 
    经历:
 1997~1999年 美国加州理工学院做博士后研究;
 1999~2004年 美国国家标准与技术局物理学家;
 1999~至今任美国科罗拉多大学物理系助理教授、副教授、教授;
 1999年~至今任国国家标准和技术与科罗拉多大学联合建立的实验天体物理实验室地(JILA)助理研究员,研究员;
 2004 ~至今任美国国家标准与技术局院士 (Fellow)。
 
    获得荣誉:
 2007年德国卡尔·蔡司研究奖
 2007年度美国物理学会拉比奖
 2006年度美国光学学会威廉·V格斯奖(William F. Meggers Awards)
 2006年度美国国家标准和技术局Stratton奖(Samuel Wesley Stratton Award)
 2006年度德国亚历山大·冯·洪堡基金会析弗里德里希·威廉·贝塞尔研究奖(Friedrich Wilhem Bessel Research Award)
 2006年,美国光学学会会士
 2005年,技术发明一等奖
 2005年,美国物理学会会士
 2005年,美国联邦政府颁发的阿瑟·弗莱明奖(Arthur S. Flemming Award)
 2003年,美国总统科学和工程学早期职业奖
 2002年,入选美国《技术评论杂志》100位顶尖年轻创新者
 2001年,美国商业部金奖(团队)
 1999 年度美国光学学会阿道夫·伦奖(Adolph Lomb Medal)
 
 
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