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第67章 朱棣文:用手“粘住”原子

发现发明不能被告诉,不能被灌输,只能靠实践。发明能力的培养尤其如此。

朱棣文博士祖籍江苏太仓,出生于美国密苏里州的圣路易斯。他的家庭是一个崇尚科学的书香门第:父亲朱瑾在化学工程方面造诣颇深,是国际知名的化工专家;母亲李静贞也是一位在美国颇负盛名的化学家;哥哥朱筑文则是美国斯坦福大学医学院的教授。

朱博士的过人之处在于他的“动手能力”极强。他称自己是实验物理学家。他不但能设计实验,还能自己制作出来。一些难度很高的实验,别人几乎做不出来,而他却屡屡成功。他能获得诺贝尔奖,在很大程度上有赖于他出色地完成了许多难度极高的实验。

众所周知,大千世界的各种物质都是由分子组成的,而分子又是由原子组成的。原子每时每刻都在不停地运动着,它在空间的运动速度可达每秒500米。如果能将原子运动的速度放慢,直至相对静止的状态,如同慢镜头重放体育比赛一样,那将给物理学家研究原子及其内部结构带来莫大的方便。朱棣文博士应用“激光冷却原子”技术,实现了物理学家梦寐以求的使原子“安静”下来的梦想,朱博士因此而荣获1997年度诺贝尔物理学奖,成为第五位获此殊荣的华裔学者。

1925年,大物理学家爱因斯坦延续了印度科学家玻色的研究工作,假设过在超低温状态下几乎停止运动的原子群。朱博士的研究工作实现了爱因斯坦的假设。

1984年朱棣文开始从事这项研究。在此之前的1975年,斯坦福大学的肖洛、汉斯等物理学家提出了一个新的想法:将激光的光子动量传递给原子,形成一种辐射压力,以阻抗原子的热运动,使原子气体的温度降低。

朱棣文依据这一物理思想,决定用激光这个利器来驯服运动不息的原子。他将激光微调到比共振稍低的频率,用6个方向的激光束对原子进行撞击。此时,令他惊喜的现象发生了:快速运动的原子在撞击下运动速度下降到每小时100米,几乎处于静止状态。为何出现这种现象呢?原来激光束是由大量光子组成的,当原子受到激光束照射时,原子就会吸收比它还要小得多的光子。它不仅吸收光子的能量,还会吸收光子的动量,从而使原子的温度降低,运动速度减慢。具体讲,就是当原子受到激光束的照射时,在1秒钟内,原子就能吸收大量的光子。此时,原子受一10倍于自身重力的“光压力”,加上激光照射的方向设计得很巧妙,如此大的光压力就会迫使原子骤然“安静”下来,其运动速度减慢到如同一条小虫蠕动时的速度,其温度也会随之降下来,使物理学家有足够长的时间来观察和研究原子的状态。

朱博士形象地把这种由激光束形成的、用来“粘”原子的介质称作“光学粘胶”。

朱棣文博士开发出的“激光冷却原子”技术,使科学家们从此可以轻松地“抓住”原子,使它们悬浮在空间近乎不动,不让它们乱跑,便于更好地研究。这项出色的工作不仅有理论意义,也极有实用价值。

朱棣文开发的这项实验技术,可以用于研制高灵敏度的原子干涉仪(即所谓的“原子陀螺”),以更精确地测量地球表面不同地点重力加速度的变化,这在石油勘探、找矿、地震预报等方面都具有应用前景。如某处地下有矿藏,该处的质量往往会高一些,相对应的地表的重力加速度就大一些。但这种“大一些”仅仅是大于重力加速度的几亿分之一,用以往的方法根本测量不出,但用“原子陀螺”就能判明矿藏的位置乃至储量。

生物学家则期望将朱博士等人开发的“激光冷却原子”技术用于人类基因组项目的研究,以进一步解开生物体的遗传密码。要解开遗传密码,需要先对脱氧核糖核酸(DNA)进行分段,利用“激光冷却原子”技术可以测量DNA片段的物理特性,这有助于推进人类基因组计划的研究。

某些物理学基本规律也可以利用“激光冷却原子”进行验证,如将采用“激光冷却原子”制成的高灵敏度原子干涉仪放到微重力的环境中,就有可能最终验证爱因斯坦的广义相对论。

“发明要从铣一枚螺钉做起。”这是一位发明家讲过的话。话虽然朴实,但道理却浅显易懂,那就是发明必须培养动手能力。发现和发明,不能被告诉,不能被灌输,只能靠实践,在实践中学习,在学习中摸索,在摸索中提高,发明能力的培养尤其如此。朱棣文博士“粘住”了原子,他的一双巧手功不可没。动手能力成为他的优势,也是他走向诺贝尔领奖台的通行证。