美国量子科学解读（美法奥三国科学家分享奖项）

北京时间10月4日下午5点多，2022年诺贝尔物理学奖评选结果揭晓。今年的奖项授予法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）、美国理论和实验物理学家约翰·克劳瑟（John Clauser）和奥地利量子论物理学家安东·塞林格（Anton Zeilinger）。

诺奖官方表示，阿兰·阿斯佩、约翰·克劳瑟和安东·塞林格通过开创性的实验，展示了研究和控制纠缠态粒子的潜力。一堆相互纠缠的粒子，哪怕它们相隔很远的距离，无法相互影响，也能决定对方会发生的变化。三位获奖者对相关实验工具的开发，为量子技术的新时代奠定了基础。

据悉，阿斯佩、克劳瑟和塞林格分别利用纠缠的量子态进行了突破性实验，他们的成果为基于量子信息的新技术扫清了道路，让不可思议的量子力学效应找到了实际的应用。并造就了一个庞大的研究领域，包括量子计算机、量子网络和安全的量子加密通信。促成这一发展的关键因素之一在于，量子力学允许两个或多个粒子以所谓的纠缠状态存在。发生在纠缠对中的一个粒子上的事情，决定了发生在另一个粒子上的事情。

20世纪60年代，约翰·贝尔提出了以他名字命名的数学不等式。这说明，如果存在隐藏变量，大量测量结果之间的相关性将永远不会超过某个值。然而，量子力学预言，某种类型的实验将违反贝尔不等式，从而导致比其他方式更强的相关性。

克劳瑟发展了约翰·贝尔的想法，并设计了一个实际的实验。使用该实验进行测量时，他通过明确违反贝尔不等式的实验结果，来支持了量子力学。这意味着量子力学不能被一个使用隐藏变量的理论所取代。在克劳瑟的实验之后，仍然存在一些漏洞。阿斯佩发展了这个实验，用它来弥补一个重要的漏洞。他在纠缠对离开其源头后，切换了测量设置，因此当它们被发射时，之前存在的设置不会影响其结果。利用系列实验和巧妙的工具设置，塞林格开始使用纠缠的量子态，其研究小组已经证明了一种叫做量子传送的现象，这使得粒子间的量子态转移成为可能。

诺贝尔物理学委员会主席安德斯·伊尔巴克（Anders Irbäck）说：“我们可以看到，获奖者在纠缠态方面的工作具有重要意义，甚至超越了有关量子力学解释的基本问题。”

关于为何选择这三位候选人来代表这个发展迅速、众星云集、同时也非常引人关注的领域，诺奖委员会表示他们在筛选的时候，希望可以奖励那些做出最基础贡献的人。值得注意的是，三位教授已经在2010年获得沃尔夫物理学奖。以下，为读者介绍三位得主的具体成就。

约翰·克劳瑟（John Clauser ）：首次证明光子的明确粒子特征

图 | 约翰·F·克劳瑟（John F. Clauser）

约翰·F·克劳瑟（John F. Clauser），美国理论和实验物理学家。他以对量子力学基础的贡献而闻名，特别是克劳塞-霍恩-西蒙尼-霍尔特不等式（CHSH）。早年，其本硕博分别毕业于加州理工学院和哥伦比亚大学。自1969年起，他主要在美国劳伦斯伯克利国家实验室、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、以及加州大学伯克利分校工作。

1972年，克劳瑟与图尔特·弗里德曼（Stuart Freedman）合作，进行了有关CHSH-贝尔定理的第一次实验，这是首个观察到违反了贝尔不等式的实验。贝尔不等式，由已故的约翰·贝尔（John Bell）于1964年提出，它提供了一种方法来区分量子力学的预测、以及大量替代理论的预测，故也被称为“局域隐变量理论”。此类测试需要对沿着相反方向分开的光子进行测试，以寻找它们的某些物理特性之间的相关性。但是难题在于，要导出贝尔不等式需要假设“局部性”，此外信息不能以超过光速的速度移动。1974 年，在与迈克尔·霍恩（Michael Horne）合作的过程中，他证明了贝尔定理的普遍适用。1974年，克劳瑟首次观察到亚泊松光子统计，借此首次证明了光子的明确粒子特征。1976年，他又对CHSH-Bell理论假说进行了全球范围内的第二次实验测试。

阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）：为纠缠量子态的实验控制开辟了道路

图 | 阿兰·阿斯佩 （Alain Aspect）

阿兰·阿斯佩（Alain Aspect），法国物理学家，因在量子纠缠方面的实验工作而闻名。他的工作为纠缠量子态的实验控制开辟了道路，也成为了量子信息处理的基本要素。阿斯佩因对贝尔不等式的实验测试而广受认可，该测试于1981-1982年在法国光学理论应用学院（Institut d'Optique）进行，这项工作被认为是建立量子信息科学基础的一部分。

阿斯佩的主要贡献是提出了一个可行的实验方案，通过在光子穿过设备时，快速改变偏振器的方向来进行这些测量。他在实验中测量的光子来自单个原子，并形成了量子力学中所谓的“纠缠”状态。观察一个光子的状态，即可对另一个光子状态的测量结果进行预测，这本身就是一个量子比特（Qubit）的案例。

同时，一个量子系统可能存在于两种状态，并对应到两个极化状态。阿斯佩的实验引起了极大关注，并引发了大量关于量子纠缠的理论和实验工作。后续，人们探索了实现量子计算的算法的新途径，并在实验室中生成光子、冷原子、冷俘获离子的纠缠态、以及后来的固态系统。后来，这项工作被认为是建立量子信息科学基础的一部分。

此外，阿斯佩还首次通过实验证明了单光子的波粒二象性。天文学家在1998年发现的小行星33163 Alainaspect，正是以阿斯佩的名字命名，以纪念他的成就。

安东·塞林格（Anton Zeilinger）：对多光子纠缠及量子传输做出开创性贡献

图 | 安东·塞林格（Anton Zeilinger）

安东·塞林格（Anton Zeilinger）是奥地利籍物理学家，现任奥地利科学院院长。其论文共被引用94000余次，并于2014年进入汤森路透“高引用科学家”榜单。

塞林格长期从事量子物理和量子信息研究，是国际上量子物理基础检验和量子信息领域的先驱和重要开拓者。无论是理论还是实验，塞林格在量子物理基础检验方面建立了始创性的功绩。他曾与合作者在国际上率先开展中子、原子、大分子的量子干涉实验，实现了无局域性漏洞、无探测效率漏洞的量子力学非定域性检验，提出并在实验中制备首个多粒子纠缠态（GHZ态），这在量子力学基础检验和量子信息中起着关键作用。

基于量子物理的基础检验，塞林格与同事开发出了多光子干涉度量学，进一步把它们广泛用于量子信息处理，具体包括量子密集编码、远距离量子通信、光量子计算等领域。其中，他在1997年首次实现量子隐形传态的工作，被公认为是量子信息实验研究的“开山之作”。

从1983年开始，塞林格一直与中国科学院、中国工程院等机构定期交流与合作。通过“墨子号”量子科学实验卫星，塞林格团队以合作形式参与到中国科学院主导的洲际量子通信实验。而且，还在全球第一次使北京-维也纳两地的量子保密通信成为可能，该成果入选了美国物理学会评选的“2018年度国际物理学十大进展”。另据悉，塞林格还受聘为中国科学技术大学、南京大学、西安交通大学的名誉教授。值得注意的是，中科院院士潘建伟早年在奥地利留学时的导师，正是塞林格。

诺奖委员会直接在现场与塞林格进行了连线，他对获得诺奖表示很惊喜，但他的声音听上去非常平静。作为几年来的获奖热门之一，他也许已经做好了准备。他的这次获奖，与他的学生潘建伟在卫星尺度上证明了他所发明的技术密切相关。

在媒体采访中，塞林格感谢了所有让只存在于理论的实验变成现实的人。他希望他的获奖，可以鼓励更多年轻人去发现量子力学的乐趣，从而进入这个领域。他同时表示，我们对时间和空间的理解都还有很多的未知。由于量子力学是一门我们经常听到、但真正理解起来却十分困难的科学，现场记者问了一系列基础性问题，塞林格也都耐心地进行了讲解。

关于诺贝尔物理学奖的“幕后故事”

1895 年 11 月 27 日，诺贝尔在其遗嘱中写道，诺贝尔物理学奖应颁发给“在物理学界做出了最杰出发明或发现的人”。

因此，在诺贝尔奖体系中，会有一部分颁布给那些在物理学领域有杰出贡献的科研工作者，这就是诺贝尔物理学奖。

历届获奖人中不乏改变物理世界的牛人，例如从理论上解释光电效应的阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）、在原子理论中发现新数学表述的埃尔温·薛定谔（Erwin Schrödinger），还有共同提出宇称不守恒理论的李政道和杨振宁、发展用激光冷却和捕获原子方法的朱棣文等。

第一届诺贝尔物理学奖的颁布是在 1901 年。接下来，就让我们了解一下从 1901 年到 2021 年关于诺贝尔物理学奖的“幕后故事”。

◆ 1901 年 ~ 2021 年最受欢迎的诺贝尔物理奖得主

阿尔伯特·爱因斯坦

（Albert Einstein）

生于：1879 年 3 月 14 日，德国乌尔姆

卒于：1955 年 4 月 18 日，美国新泽西州普林斯顿

获奖时的工作地：凯撒-威尔海姆研究所物理研究院（现马克斯·普朗克研究所），德国柏林

获奖评语：表彰他“对理论物理学做出的贡献，尤其是光电效应定律的发现”

研究领域：理论物理

获奖情况：1921年 单独获奖

作为一名传奇科学家，阿尔伯特∙爱因斯坦只获得了 1921 年诺贝尔物理学奖，获奖原因或许也是他众多理论中相对“最小”的一个。而他在时空、引力理论等方面的诸多成就，在当时甚至如今都显得“过于超前”，这可能也是诺贝尔奖只就“解释光电效应”给他颁奖的原因。

爱因斯坦在慕尼黑长大，在那里，他的父亲成立了一家电机工程公司。从苏黎世联邦理工学院毕业后，爱因斯坦进入了瑞士伯尔尼专利局工作。在此期间，他发表了一系列在物理学领域具有前瞻性的文章。

科学成就：当时科学家发现，将金属电极暴露于光线下时，有助于电极间产生电火花。要产生这种“光电效应”，光必须高于某特定频率。然而，根据当时的物理理论，光的强度才是重要因素。1905 年，爱因斯坦发表了几篇划时代的论文，在其中的一篇中，爱因斯坦提出光是由光量子组成的——光量子的能量与其频率有关。只有当光量子的频率达到一定阈值时才能从金属中激发出电子。

尼尔斯·亨里克·达维德·玻尔

（Niels Henrik David Bohr）

生于：1885 年 10 月 7 日，丹麦哥本哈根

卒于：1962 年 11 月 18 日，丹麦哥本哈根

获奖时的工作地：哥本哈根大学，丹麦

获奖评语：表彰他“对原子结构及原子辐射的研究”

研究领域：理论核物理

获奖情况：1922 年单独获奖

科学成就：19 世纪末出现了关于电子和原子辐射的一系列研究，科学家们建立了不同的原子结构模型。1913 年，玻尔根据量子理论提出了氢原子的结构模型。他认为，原子能量如果要发生改变，只能在不同定态间以跃迁的方式进行。电子会按照特定轨道围绕原子核运动。当电子跃迁到低能级轨道时，就会辐射出光子。玻尔的理论解释了为什么原子只有在特定波长照射下才能发射光子。

玛丽·斯克沃多夫斯卡-居里

（Marie Curie, née Sklodowska）

生于：1867 年 11 月 7 日，俄罗斯帝国（现波兰）华沙

卒于：1934 年 7 月 4 日，法国萨朗什

获奖评语：表彰他们“研究贝克勒尔发现的电离辐射现象时的卓越成就”

研究领域：核物理

获奖情况：1903 年与其他二人共同获奖

玛丽∙斯克沃多夫斯卡出生于波兰华沙一个非常注重教育的教师之家。为了继续她的学业，她移居法国并在那里遇到了皮埃尔∙居里。后来，他成为了她的丈夫，也成为了她在放射领域中的研究伙伴。居里夫妇于 1903 年共同获得了诺贝尔物理学奖。不幸的是，居里夫人在 1906 年失去了她的丈夫，但她没有停下他们的研究工作，并再次于 1911 年获得诺贝尔奖。

科学成就：受 1896 年贝克勒尔发现的电离辐射现象的激励，玛丽和皮埃尔决定进一步研究这一现象。他们为了获得放射信号，对很多物质和元素进行了实验。他们发现沥青铀矿比纯铀的放射性更强，因此，其中应该含有其他放射性物质。从沥青铀矿中他们提取出了两种以前未知的元素：钋和镭，它们的放射性都强于铀。

在首次发现放射性元素钋和镭以后，居里夫人对这两种元素的性质做了更深入的研究。1910 年她成功地分离出镭，从而证明了镭的存在，从此业界再无质疑之声。她还对镭及其化合物的性质做了报道。放射性物质作为放射源，在科学实验领域和癌症治疗中变得越来越重要。

詹姆斯·查德威克

（James Chadwick）

生于：1891 年 10 月 20 日，英国曼彻斯特

卒于：1974 年 7 月 24 日，英国剑桥

获奖时的工作地：利物浦大学，英国

获奖评语：表彰他“发现了中子”

研究领域：核物理

获奖情况：1935 年单独获奖

科学成就：1930 年当海波特·贝克和瓦尔特·博特用阿尔法粒子（氦原子核）轰击铍核时，观察到了高能的穿透性的辐射现象。当时一个假说认为，这是一个具有高能量的电磁辐射。然而 1932 年，詹姆斯·查德威克证明阿尔法粒子中含有一个和质子质量相当的中性粒子。更早时期，欧内斯特·卢瑟福也提出了这种粒子的存在，而该粒子就是现在已经被证实的中子。

约瑟夫·约翰·汤姆森

（Joseph John Thomson）

生于：1856 年 12 月 18 日，英国曼彻斯特附近的奇塔姆山

卒于：1940 年 8 月 30 日，英国剑桥

获奖时的工作地：剑桥大学，英国

获奖评语：表彰他“在气体导电方面的理论和实验研究”

研究领域：原子物理

获奖情况：1906 年单独获奖

科学成就：1830 年首次出现了一种观点，认为电是通过原子中存在的微粒进行传导。1890 年，约瑟夫·汤姆森爵士利用气体环境下带电粒子成功测定了电子质量。1897 年，他证明了阴极射线（将两片金属电极置于低压气体环境的玻璃管中，并在其上加载电压，阴极释放出的电子就会像射线一样飞往阳极）含有电子，从而带有电荷。他同时指出电子是原子的一部分。

埃尔温·薛定谔

（Erwin Schrödinger）

生于：1887 年 8 月 12 日，奥地利维也纳

卒于：1961 年 1 月 4 日，奥地利维也纳

获奖时的工作地：柏林大学，德国

获奖评语：表彰他“发现了卓有成效的原子理论新形式”

研究领域：量子力学

获奖情况：1933 年与另一人共同获奖

科学成就：在玻尔的原子理论中，当电子从一个原子轨道跃迁到另一轨道时，就会吸收或发射特定波长的光。这一理论能够很好地描述氢原子的光谱特征。但是要想描述更复杂的原子和分子，则需要进行修正。以物质（比如电子）同时具有波动性和粒子性为前提，1926 年薛定谔给出了著名的薛定谔方程，从而能够正确描述波函数的量子行为。他对量子叠加态的阐述也是大家熟悉的“薛定谔的猫”思想实验的来源。

罗伯特·安德鲁·密立根

（Robert Andrews Millikan）

生于：1868 年 3 月 22 日，美国伊利诺伊州莫里森

卒于：1953 年 12 月 19 日，美国加利福尼亚州圣马利诺

获奖时的工作地：加利福尼亚理工学院，帕萨迪纳，美国加州

获奖评语：表彰他“在基本电荷和光电效应中做的工作”

研究领域：电磁效应，粒子物理

获奖情况：1923 年单独获奖

科学成就：19 世纪 90 年代，电子理论的传播使得电子的概念被大家接受。1910 年密立根成功地精确测量了基本电荷量的值。他通过平衡重力与电场力，将油滴悬浮于两片金属电极之间。通过对许多油滴进行实验后，密立根证明了它们的电荷总是一个确定值的倍数，因此认定这个确定值就是电荷值。

维尔纳·卡尔·海森堡

（Werner Karl Heisenberg）

生于：1901 年 12 月 5 日，德国维尔茨堡

卒于：1976 年 2 月 1 日，德国慕尼黑

获奖时的工作地：莱比锡大学，德国

获奖评语：表彰他“创立了量子力学以及由此促进了氢的同素异形体的发现”

研究领域：量子物理

获奖情况：1932 年单独获奖

科学成就：1925 年，维尔纳·海森堡基于矩阵运算给出了一种量子理论的数学表述，称为矩阵力学，后被薛定谔证明与波动描述在数学上是等价的。1927 年，海森堡提出了著名的“不确定性原理”，即一个运动粒子的位置和速度不能同时被准确测量，其不确定度存在下限。

威廉·康拉德·伦琴

（Wilhelm Conrad Röntgen）

生于：1845 年 3 月 27 日，普鲁士伦内普（现德国雷姆沙伊德）

卒于：1923 年 2 月 10 日，德国慕尼黑

获奖时的工作地：慕尼黑大学，德国

获奖评语：表彰其“发现了意义非凡的射线，并在其中做出了杰出工作，这种新射线定名为伦琴射线”

研究领域：原子物理，X射线

获奖情况：1901 年单独获奖

伦琴生于德国伦内普，长于荷兰。他于苏黎世联邦理工学院毕业并在那里得到了物理学博士学位。为了继续他的研究，伦琴先后在斯特拉斯堡、吉森、维尔茨堡的大学工作。在维尔茨堡，他获得了诺贝尔奖，这也是首届的诺贝尔物理学奖。1900 年，伦琴到了慕尼黑大学并在那里度过了他的余生。

值得一提的是，尽管 X 射线为他带来了诺贝尔奖，但他把奖金全部捐给了维尔茨堡大学，也放弃了其专利权，最终在贫困中死于癌症。

科学成就：1895 年，伦琴把电极加载到两个置于真空玻璃管中的金属片上，用于研究阴极辐射。虽然装置被覆盖住，他还是观察到当感光板靠近时，其上有微弱的荧光出现。通过进一步试验，他证实了该现象是一种尚未为人所知的具有穿透性的射线产生的。后来 X 射线成为了物理研究和人体检查中的有力工具。

马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克

（Max Karl Ernst Ludwig Planck）

生于：1858 年 4 月 23 日，石勒苏益格基尔（现属德国）

卒于：1947 年 10 月 4 日，德国哥廷根

获奖时的工作地：柏林大学，德国

获奖理由：表彰他“因发现能量量子而对物理学的发展做出杰出贡献”

研究领域：量子力学

获奖情况：1918 年单独获奖

科学成就：当一个黑体被加热时，照射到黑体表面的电磁辐射就会被黑体吸收并转化为热辐射，其光谱特征仅与黑体温度有关而与其材质无关。然而用当时已知的物理定律计算热辐射会得出无意义的结果：在高频区的热辐射能量会趋于无穷大。马克斯∙普朗克在 1900 年通过引入能量的量子化理论解决了这个问题。也即，任意电磁辐射的能量大小都跟一个常量有关，后人将这个常量命名为普朗克常数。

◆ 诺贝尔物理学奖的数量

从 1901 年至 2021 年，共颁发了 115 届诺贝尔物理学奖。其中，由于战争原因有六年没有颁发，分别是 1916、1931、1934、1940、1941 和 1942 年。

独享和共享的诺贝尔物理学奖：

47 次由一位获奖者独享；

32 次由两位获奖者共享；

36 次由三位获奖者共享。

为什么会出现这样的情况？我们可以在诺贝尔委员会章程中找到答案：“若有两个被提名者的工作都同样出色难分伯仲，那奖金就可以由他俩平分。如果获奖成果是由两到三人共同完成的，那奖金就应授予项目共同完成人。但诺奖不能由超过三个人共享。”

◆ 诺贝尔物理学奖得奖人数

图丨1956、1972年诺贝尔物理学奖得主约翰∙巴丁

1901~2021 年间，诺贝尔物理学奖共授予了 219 人次。其中，约翰∙巴丁（John Bardeen）是至今唯一一位两次获得诺贝尔物理学奖的人，因此实际上有 218 人获得过诺贝尔物理学奖。

◆ 最年轻的物理学奖获得者

迄今为止，最年轻的诺贝尔物理学奖获得者是当时年仅 25 岁的劳伦斯∙布拉格（Lawrence Bragg）。他于 1915 年和他的父亲一同获得该奖项。

◆ 女性获奖者

图丨1963 年诺贝尔物理学奖得主玛丽亚·格佩特·梅耶

在所有诺贝尔物理学奖获得者中，仅有四名为女性，她们是：

1903 年的物理奖得主玛丽·居里（Marie Curie ）（大名鼎鼎的居里夫人，她还于 1911 年获得了诺贝尔化学奖），1963 年的物理奖得主玛丽亚·格佩特·梅耶（Maria Goeppert-Mayer ），2018 年的物理奖得主唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland），以及 2020 年的物理奖得主安德里亚·盖兹（Andrea Ghez）。

◆ 全家一起“牛”的获奖者

夫妻&子女档：

图丨居里一家

玛丽·居里和丈夫皮埃尔·居里（Marie Curie and Pierre Curie）于1903年共同获得物理学奖。玛丽∙居里于 1911 年再次获得诺贝尔化学奖。

而且，他们的大女儿伊雷娜·约里奥-居里（IrèneJ oliot-Curie ），及其丈夫弗雷德里克·约里奥（ Frédéric Joliot）获得 1935 年的诺贝尔化学奖。

获得物理学奖的父子档：

图丨布拉格父子：威廉·亨利·布拉格（William Bragg）与威廉·劳伦斯·布拉格（Lawrence Bragg）于 1915 年获奖

图丨玻尔父子：尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）与奥格·玻尔（AageN. Bohr）分别于1922 年和 1975 年获奖

图丨西格巴恩父子曼内·西格巴恩（Manne Siegbahn）与凯·西格巴恩（Kai M.Siegbahn）分别于 1924 年和 1981 年获奖

图丨汤姆森父子：约瑟夫·汤姆森与乔治·佩吉特汤姆森 分别于 1906 年和 1937 年获奖

◆ 上届诺贝尔物理奖得主

真锅淑郎（Syukuro Manabe）

出生：1931 年 9 月 21 日，日本爱媛县新宫市

获奖时所属机构：美国新泽西州普林斯顿大学

获奖原因：“表彰他们在对地球气候进行物理建模、气候变异性的量化，以及全球变暖的可靠性预测方面的贡献”

奖金份额：1/4

图丨真锅淑郎（Syukuro Manabe）（来源：诺贝尔奖官网）

克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）

出生：1931 年 10 月 25 日，德国汉堡

获奖时所属机构：德国汉堡马克斯·普朗克气象研究所

获奖原因：“表彰他们在对地球气候进行物理建模、气候变异性的量化，以及全球变暖的可靠性预测方面的贡献”

奖金份额：1/4

图丨克劳斯·哈塞尔曼（Klaus Hasselmann）（来源：诺贝尔官网）

乔治·帕里西（Giorgio Parisi）

出生：1948 年 8 月 4 日，意大利罗马

获奖时所属机构：意大利罗马第一大学

获奖原因：“从原子尺度到行星尺度，发现了物理系统的无序和波动之间的相互作用”

奖金份额：1/2

图丨乔治·帕里西（Giorgio Parisi）（来源：诺贝尔官网）

◆ 物理学奖金质奖章

物理学奖章由瑞典雕刻家埃里克∙林德贝格（Erik Lindberg）设计，其上刻绘着一幅美丽的场景：大自然的具像化女神伊希斯从云中浮现，手中握着象征丰饶的羊角，一位科学的守护女神正轻轻揭开伊希斯的面纱，露出了她冷峻的面容。

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