“冷原子操縱”是中國科學技術大學微尺度物質(zhì)科學國家研究中心教授陳宇翱的研究方向之一。在這項研究中，要把原子冷卻到很低的溫度，有多低呢？讓我們從陳宇翱老師的分享《在世界上最冷的地方操縱原子，用“慢鏡頭”的方式理解宇宙》中尋找答案吧。
陳宇翱演講視頻：
以下為陳宇翱演講實錄：
我是陳宇翱，來自中國科學技術大學微尺度物質(zhì)科學國家研究中心。
我想先問各位一個小問題： 地球上最冷的地方在哪里？
有人說南極，有人說北極。確實，我們?nèi)祟愃鶞y到的最低溫度是在南極，大概是-93℃。
但我想告訴大家，其實還有一個更冷的地方：我們實驗室。 當然， 并 不是整個實驗室 都 冷， 只是其中 很小的一塊區(qū)域——大概10微米×10微米×10微米。 10 微米是什么概念？ 一根頭發(fā)絲的粗細是50微米。
那么，這一塊區(qū)域 溫度有多低呢？ 能達到納K——只比絕對零度（-273.15℃）高了0.000000001K。要知道 ，太陽表面是6000℃，我們?nèi)粘：鹊乃?00℃，二者只差了兩個數(shù)量級。而 我們實驗室里這一小塊區(qū)域的溫度，與水相比，低到跨越了十幾個數(shù)量級。
為什么要這么冷？
我打個比方：如果要去室外跑步，大家是喜歡暖和的天氣，還是寒風凜冽的天氣呢？更多人可能還是喜歡在暖和的時候跑步——
原子也是這樣。 原子 在溫度比較高的時候非?；钴S，跑得很快，可是 你根本看不清它的動作； 但當你把它冷卻到絕對零度附近時，原子運動就會非常慢，像電影里的慢鏡頭，我們就能看清楚原子的運動 。
我們要在慢鏡頭下，通過研究原子的運動來理解宇宙。
現(xiàn)在提到量子力學時，經(jīng)常聽見有人說“ 遇事不決，量子力學 ”。
我個人的理解是：但凡遇到什么不可解釋的東西，只要冠上量子力學，就總能對外忽悠一下。
當然，嚴格地說，也不能完全叫忽悠。從科學上來講， 任何領域（包括生物、材料、信息，以及剛才郭雪峰老師講的單分子和丘成桐老師講的數(shù)學）跟量子力學都是在互相促進 。比如，人們在研究量子場論的過程中發(fā)展了場論和弦論，反過來，場論和 弦論 的發(fā)展也推動了量子力學的發(fā)展。所以“遇事不決，量子力學”有它的道理。
當然“量子力學”也被很多騙子用來冠于很多名詞，比如量子水、量子鞋墊，還有量子波動速讀。每次親友說“聽說你們研究了量子水，我朋友說喝了之后腰也不疼腿也不酸”，我都很尷尬——如果量子真的這么有效，大家應該都來中科大跟我學量子力學，既延年益壽，又普及科學。
量子到底有沒有用？它有用，但并不能立刻見效。
那它有用在哪里？在量子信息科學上。過去100年中，人類許多科研成果都源于對量子的研究，比如我們手機里就有七八項得諾貝爾獎的技術。
說到量子力學，人們常提到的第二個詞是什么？ 不自量力 。千萬不要自學量子力學，因為你學不會，而且會越學越糊涂。你要真想學好量子力學，我非常歡迎大家報考中國科學技術大學物理系，會有最好的老師來教導你。
量子力學揭示了宇宙的起源和演化。在現(xiàn)有的理論框架下，大爆炸的產(chǎn)生是因為量子漲落——空間中形成了一個奇點，后來發(fā)生了爆炸。這個奇點怎么產(chǎn)生的呢？我們還不知道，希望小朋友們未來能夠解釋它。
大爆炸后，從分子、原子產(chǎn)生，一直到后來星系形成，整體都遵循量子力學規(guī)律，在更大的時間尺度中還遵循相對論規(guī)律。但是非常可惜，這兩個偉大的理論在科學上并沒能被統(tǒng)一起來。
自學學不懂量子力學其實沒關系，因為跟著老師學也可能學不懂 。
為什么？
量子力學的創(chuàng)始人之一玻爾（Niels Bohr）說過：“如果誰不對量子論感到困惑，他就沒有理解它”。費曼（Richard Feynman）就更絕了，他說：“我想我可以很確定地說：沒有人理解量子力學。”
所以學不懂問題不大，但還是建議不要自學量子力學，因為可能會誤入歧途。
簡單地介紹一下，量子到底是什么呢？原子其實就是一個量子體系，還包括分子，包括光子，我此刻用的激光筆，每秒鐘大概就有10^18個光量子打到屏幕上。
量子是構(gòu)成物質(zhì)最基本的單位，也是能量最基本的攜帶者，它最基本的特征就是“不可分割” 。分子可以分割成原子，而原子是保持自己基本性質(zhì)的最小單位，有不同的體現(xiàn)形式—— 所以從這個角度講，你要真要說那些騙子騙人，也不能完全是，你喝的水確實有水分子，確實是如假包換的量子水，至于有沒有功效， 我就 不評價了。
過去100年，我們對量子力學的應用催生了很多科學。我們認為愛因斯坦是最了解、最懂量子力學的——雖然他反對它。這也應了一句話，“最了解你的往往是你的敵人”。
在愛因斯坦跟哥本哈根學派進行量子力學爭論的過程中，慢慢有一批人去人工制備量子，由此就發(fā)展出一門量子信息科學，即人為操縱量子把信息編碼到單個量子態(tài)上面。
量子力學有很多應用。
01
量子通信
它是 唯一一種在數(shù)學上被證明無條件安全的通信方式 ，當然里面還有很多需要研究的東西。
02
量子計算與模擬
費曼提出，如果把原子編碼到底部作為存儲器或者運算器的話，通過量子疊加就能擁有超快的計算能力。
怎么個超快法？
當你能夠操縱50個量子的糾纏， 就能夠超過目前最快運算器 （比如太湖之光或者美國Summit）的超算計算能力；當你能夠操縱100個量子，獲得的計算能力就 相當于全中國每人分到100臺天河2號 。
如此，就能有效地揭示復雜物理系統(tǒng)的規(guī)律。
03
量子精密測量
由于量子可以處在相干疊加態(tài)，所以它可以有超越經(jīng)典極限的測量精度。比如大爆炸，我們現(xiàn)在的理論極限是普朗克時間（10^-34秒），但實際上精度還差了好多數(shù)量級。
怎么追求進一步的極限呢？
量子精密測量領域有一個簡單的說法： 當你把小數(shù)點往后推一位，基本上會發(fā)現(xiàn)一個新的物理現(xiàn)象 。
別人眼中的量子物理學家可能有兩個極端：一種像左邊這張圖，拿了一本寶寶的量子力學書就出來做秀，另外一種如右圖，成天穿著白大褂在超凈室里做實驗，皺著眉頭念叨“糾纏”“π粒子飛行”這些事情。
但我想告訴大家，右邊這張圖是擺拍的?，F(xiàn)實中我們是怎么工作的呢？更多是像下面這樣——
這些截圖取自于《生活大爆炸》，我非常喜歡這個美劇。我在德國留學的時候，我的同事有一半喜歡一半不喜歡。喜歡是因為它跟自己的生活實在太像了，不喜歡也是因為跟自己太像了。
我們每天都在處理些什么事情？收發(fā)郵件、跟供應商討價還價和寫不完的報告。右上角這幅圖是Seldon他們在黑市買液氦，有時候?qū)嵲诤芗?，我們也會做類似的事情?/p>
我們科研儀器很貴，采購量一般也很大。那么，怎么最大限度地利用很有限的科研經(jīng)費呢？
剛回國的時候，我曾忽悠一個最大公司的光學儀器經(jīng)銷商，說我們未來還會有十幾個這樣的實驗室，勸說他把現(xiàn)在這個做成樣板實驗室，最后他給我們打了20%的永久性折扣。我還成功說服他放了兩臺 最重要的激光器 備機在我們實驗室，說市場上如果有人想要用，我們就寄給他，但實際上我們從來沒寄過。
有時候我們實驗要求比較高，市場上沒有符合要求的儀器，我們就要跟公司的技術人員不停溝通。有時候他們認為做不了，兩手一攤，我們就出主意，說能不能把這個地方修整一下，把那個地方提高點什么東西…… 很多尖端儀器在互相促進中慢慢發(fā)展出來 。
在很著急的時候，我們甚至會自己動手。比如說我急需一個鏡片，但是它運過來可能還要一兩個月，怎么辦？我就直接拿玻璃片到眼鏡店自己割。
這就是我的實驗室的樣子。這樣的臺子一共有三個，最冷的地方就在那個玻璃腔正中間，就是那個10微米×10微米的一個地方。
這么凌亂的實驗室里，很多科學實驗在有序進行 。
怎么把原子冷下來呢？要用到“ 多普勒冷卻 ”。你在火車站的時候，可能已經(jīng)感受過火車過來和離開的聲音不一樣，那就是 “多普勒頻 移 ” 。
其實光和原子之間也是這樣。
我們通過調(diào)節(jié)光的頻率，使光只對面向它過來的原子起作用。 我把原子放在中間，如果它往上跑，我就在上邊打光，踢它一腳，趕它回去； 往下跑，就在下邊打光。
原先原子很熱，活躍得很厲害。我們從6個方向打了光之后，原子就慢慢冷下來，這就叫“多普勒冷卻”。冷卻的極限是0.00001K，但還不夠。
這張是實際裝置，是很古老的資料了。10多年前相機不好，效果也不好，但你可以大致看到中間有一團藍色的東西，那就是原子。我們通過調(diào)光的方向，還可以調(diào)節(jié)原子的形狀，操控原子往哪邊跑。
進一步冷卻需要一個“ 蒸發(fā)冷卻 ”的過程。就像我們喝咖啡，咖啡很燙，我們吹一吹，水蒸發(fā)掉之后就能冷下來。原子也一樣，讓熱原子跑掉，剩下的原子進行熱平衡，就冷下來了。
冷下來之后，我就可以把它裝到“晶格”里。我把原子裝到一個由6個方向光形成的格點上， 跟實際晶格很像，但大了1000倍，所以我可以很精準地看它的動力學過程 。
演講嘉賓陳宇翱：《在世界最冷的地方操控原子，用“慢鏡頭”的方式理解宇宙》
為什么要這樣做？
我可以講個小故事，雖然真實性待考。當時人們研究無人飛機的時候，飛一架掉一架，飛一架掉一架。蘇聯(lián)皇家科學院就把所有院士集中起來解決問題，他們討論了三天，最后有一個數(shù)學家寫了一個公式，畫了一張圖，他說按照圖紙建一個東西，以后飛機就不用上天測試了——這個東西其實就是“風洞”，一打開就會吹風，飛機可以在里面模擬飛行環(huán)境。
我們也希望通過模擬原子所經(jīng)歷的環(huán)境來理解原子行為， 這樣就能幫助發(fā)展包括量子材料、磁性、高溫超導、催化反應、高效碳捕獲、氮固化等一系列應用。
我是怎么喜歡上物理，選擇走上這條路的呢？
我小時候有一門自然課，我從開始就很喜歡。初二第一次拿到物理課本，我就深深地喜歡上了物理這門學科。等到上高中，我們學校有個高三的師姐得了物理金牌，我覺得她能得到，我也能得到。
1998年，我從北京出發(fā)踏上冰島參加比賽，也獲得了金牌。
第二年我上大學，有點迷茫。恰好冰島組委會給我一筆錢，邀請我去訪問兩個月，我就去了。
我在冰島大學才見識到 真正的科研，不是書上說的只寫寫公式 。后來我又去德國留學， 學習到了他們那些精密的要求 ，比如你想要1.5圈，他就絕對不會只纏1圈就結(jié)束，盡管1圈可能就固定得差不多。我讀博士后的實驗室十年前造了一個真空環(huán)境，十年中，經(jīng)歷了兩次搬家，真空環(huán)境還跟十年前一模一樣。
我也把這些思想帶回了國，加入了潘建偉老師的團隊。 我是潘老師第一個學生。
潘老師對學生要求非常高。 據(jù)說他曾猶豫到底要不要收我，因為我當時量子力學差點沒有及格。 后來有一次討論的時候，有個東西潘老師算錯了，我就直接指了出來。 他覺得“不可能”，但看我非常自信，就驗算了一下，結(jié)果發(fā)現(xiàn)真的錯了。 可能就是因為這點，他覺得這個學生還不錯，可以教育一下，就把我留下來了。于是我成了他的第一個學生。
后來我們師兄弟就養(yǎng)成了一個很好的習慣，不管誰有錯都直接指出，可惜我后來再也沒有發(fā)現(xiàn)潘老師的錯誤。我也希望未來我的學生能夠指出我的錯誤，我會很開心。
從1999年開始，整整20年，潘老師在科大構(gòu)建了一支最優(yōu)最簡的互補團隊，我們一起建造了一個跟馬普光學所一樣的標準實驗室。
從2004年到現(xiàn)在，每年由兩院院士評選的中國十大科技進展新聞，我們?nèi)脒x了13項，幾乎每年都有。
潘老師常 說兩句話： 先成家后立業(yè) ， 老婆的話 總是對 的 。 他 對師娘的愛非常深刻地感染著我們， 團隊里每個人的背后都有一個非常支持我們的家庭。
我也有一個非常美好的家庭。這是我的全家福，大家肯定可以看出來：我太太非常漂亮，我兒子也非常可愛。
我太太在生活中其實是一個比較高調(diào)的人，但是對外她比較低調(diào)， 她不喜歡別人叫她是陳宇翱的太太，但是我非常樂意被叫做她的先生 。她現(xiàn)在做的工作也跟我的工作相關，她在上海做科普推廣，而我是她最忠實的志愿者。
左圖是我2016年參加墨子沙龍做報告的照片，右圖是我2019年主持墨子沙龍圓桌會談的照片。大家可以看到墨子沙龍的會場越來越好看了，我也越來越好看。
最后我想把愛因斯坦在普朗克60歲生日宴會上的講話送給大家——
有許多人所以愛好科學，是因為科學是他們自己的特殊娛樂，他們在這種娛樂中尋求生動活潑的經(jīng)驗和對他們自己雄心壯志的滿足；另外還有許多人為的是純粹功利的目的。對于這些人來說，只要有機會，人類活動的任何領域都會去干；他們究竟會成為工程師、官吏、商人還是科學家，完全取決于環(huán)境。
還有一類人，他們把世界體系及其構(gòu)成作為他的感情生活的支點，以便由此找到他在個人經(jīng)驗的狹小范圍里所不能找到的寧靜和安定……他們每天的努力并非來自深思熟慮的意向或計劃，而是直接來自激情。
——愛因斯坦在普朗克60歲生日宴會上的講話《探索的動機》
謝謝大家。
演講嘉賓陳宇翱：《在世界最冷的地方操控原子，用“慢鏡頭”的方式理解宇宙》
作者：陳宇翱
編輯：麥芽楊、凝音
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