互动科普

驾驭光速

撰文  玛格丽特·霍洛韦（Marguerite Holloway）

翻译  王昊明

一年之中，莱娜·韦斯特高·豪（Lene Vestergaard Hau）最喜爱的是仲夏夜。在她的祖国丹麦，日落之后的天空会呈现一种略带金属光泽的蓝色，而且几个小时后，太阳便会再次升起。“那里几乎从来没有真正的黑暗，整晚的天空都是有光亮的。那是一年中最美妙的日子，”5月一个阳光明媚的早晨，在位于美国哈佛大学的办公室内接受采访时，莱娜感叹道，“在这里是享受不到那种美妙体验的。”20年前，为了进行博士后研究，莱娜离开家乡来到了美国，从此投身到了全新的物理学领域之中，让全世界对光的本质有了全新的认识。

光在真空中的速度达到了299,792,458米/秒。“这确实是令人难以想象的速度，”莱娜感叹道，“如果能用某种方式，使光速下降到常人能够追上的速度，那一定非常有趣。”这位现年47岁的物理学家这么说，也这么去做了。现在，她能够让光减速、堆叠，能把光困在一个微小的囚笼中，甚至让光原地消失，神奇地在一段距离之外重现。其实，在日常生活中，光一直都在减速运行：光子从水中穿过时，速度会降到224,844,344米/秒；如果撞到不透明的物体表面，光子会停止运动并且消失。不过，在莱娜的实验成功之前，没有人能让光以17米/秒的速度蹒跚前行，也没有人能让光在消失之后重现。

光子传输具有速度快、距离远的优点，传输过程中信号几乎没有失真，因此光子已成为开发量子计算机、改进光通信等领域的研究焦点。莱娜的研究成果目前还无法直接应用，因为她的实验只能在玻色－爱因斯坦凝聚态物质（Bose-Einstein condensate）中实现。（所谓的玻色－爱因斯坦凝聚态物质，指的是一团极度冷却的原子形成的聚合体，它们的性质就像一个巨大的原子。）不过，她的研究小组已经找到了一把金钥匙，从根本上解决了用光储存和处理信息所面临的挑战。美国麻省理工学院的量子物理学家赛思·劳埃德（Seth Lloyd）评价说，把光停止下来“相当于存储了一个量子比特。从概念上讲，这是一种新型的存储单元”。

2001年，莱娜获得了麦克阿瑟奖（MacArthur Fellowship）。有趣的是，她最初并不打算成为一位实验物理学家，在大学期间的主攻方向也是理论物理。不过20世纪80年代莱娜在丹麦，以及后来在日内瓦欧洲原子能研究中心（CERN），从事的都是凝聚态物质的研究。她回忆说：“通过这些实验，我发现人们已经能够利用激光冷却法，将原子的温度降到极低。”1988年，莱娜来到美国，与许多研究人员进行了交流，同时还满足了自己的一个愿望：“看一看这个国家是不是真的和电影里描述的一模一样”。结果，她觉得名不虚传：这个国家不仅面积大，汽车大，民众也十分直率健谈。

有一次，莱娜前往美国马萨诸塞州剑桥市的罗兰研究所（Rowland Institute，一家小型非盈利研究机构，5年前并入哈佛大学）参观访问。她在那里遇到了两位物理学家：迈克尔·伯恩斯（Michael Burns）和耶涅·A·戈洛夫琴科（Jene A. Golovchenko）。尽管两人的研究领域都不是低温物质，但他们不约而同地鼓励莱娜在这门新兴学科中深入钻研下去，于是莱娜留了下来。谈到这里，她笑着说：“我当时也许能找一个更著名的实验室落脚，但那样的经历看起来就太落俗套了。”

在罗兰研究所，莱娜着手设计了一种能够在真空中持续提供钠原子的方法。接下来，她又开始为将原子冷却到接近绝对零度而努力。1997年的仲夏夜，她终于成功地制造出了一些“十分肥硕”的玻色－爱因斯坦凝聚态物质。这种物质形态以前只是理论上的假设，直到1995年才由三位物理学家（克特勒、康奈尔和维曼）设法制造了出来，他们也因此分享了2001年度诺贝尔物理学奖。成功获得这种物质以后，莱娜决定用它们进行一些与光有关的实验，当时她的本意是用光来探查凝聚态物质的特性。1999年，莱娜完成了一项十分著名的实验：她用激光照射一团凝聚态物质，导致光子在物质内部缓慢地“爬行”。莱娜说：“这真是一项极其困难的实验，因为所有的条件都必须处于临界状态。”

实验过程是这样的：包含钠原子的凝聚态物质由磁场约束，同时被“耦合激光器”发出的一束激光照射。耦合激光器的作用，就是使这团凝聚态物质只对某一特定频率的光透明。此时，用另一个“探测激光器”发射该频率的激光，以激光脉冲的形式射入凝聚态物质，这些光子就会引起量子暗态效应（quantum dark state）——也就是说，钠原子进入了叠加态（superposition），单一原子可以同时处于两个能级上。当光子与这些原子相遇时，就会与它们发生纠缠。激光脉冲的前端减速，被后端赶上，整个脉冲就会像手风琴一样收缩起来，被挤压到100微米厚的凝聚态物质中。

在莱娜之前，其他科学家曾在实验中利用同样的透明化技术，将光速降到了真空光速的1/165（即1,816,923米/秒）。但是“莱娜将光速降低到了17米/秒，这一成果震惊了全世界，将更多的科学家吸引到了这一领域，”美国斯坦福大学的斯蒂芬·Ｅ·哈里斯（Stephen E. Harris）说。哈里斯是莱娜的合作者，也是最早演示电磁诱导透明现象，并在20世纪90年代初就开始利用这一现象降低光速的科学家。如今，研究人员不仅能够在高温气体中让光变慢，还能在室温的晶体和半导体中降低光速。

减慢光速的能力，让莱娜可以演示一项新的“魔法”——让光消失并重现。2001年，莱娜和同事在实验过程中关闭了耦合激光器，结果原本被压缩在凝聚态物质中的激光脉冲消失了。不过，光脉冲的一些特征信息，如形状、振幅和相位，都被钠原子记录了下来。重新开启耦合激光器，新射入的激光就会使那些记录了信息的钠原子发生能级跃迁，在此过程中释放一个激光脉冲。这个激光脉冲的相位与振幅，与原先由探测激光器发射、后来消失在凝聚态物质中的脉冲完全相同。换句话说：激光脉冲携带着信息，将信息传递给物质并消失不见；然后物质又产生了新的脉冲，它们携带着同样的信息。“这正是我们存储信息的方式，而且不是我们无法控制的随机事件，”莱娜解释说。

同一年，莱娜与实验室的另外两名成员——内奥米·S·金斯伯格（Naomi S. Ginsberg）和肖恩·R·加纳（Sean R. Garner）完成了更加复杂的“魔法”：让激光脉冲的特征信息在两团凝聚态物质之间传递。他们先将探测激光器射出的一个激光脉冲送入第一团凝聚态物质。不出所料，光脉冲的速度会降低。然后，他们关闭耦合激光器，令探测激光器发出的光脉冲消失，同时将振幅和相位信息传递给钠原子——这些原子就相当于光脉冲在消失前留下的物质备份。这些原子由于光子的碰撞获得了额外的动量，被推离第一团凝聚态物质，跨过一道细微的间隙后，融入第二团凝聚态物质之中。一旦原子抵达目的地，实验人员就重新开启耦合激光器。此时正在融入第二团凝聚态物质的钠原子就会发生能级跃迁，释放一个激光脉冲。这个光脉冲与最初进入第一团凝聚态物质的光脉冲拥有完全相同的相位与振幅。

莱娜和劳埃德指出，将光转换为物质，再转换回去的过程，可以用来处理量子信息。“量子信息可以由激光脉冲携带，通过光纤传递很远的距离。如果想对信息进行处理，则可以把信息读入到物质之中，利用处理物质的方法来改变光学信息。”光在玻色－爱因斯坦凝聚态物质中的相互作用，还可能产生无法预料的现象。凝聚态物质中类似旋风的“风暴”结构有时表现得像台球，彼此碰撞时会发生反弹，有时却会在碰撞时彼此“湮灭”。莱娜兴奋地说：“凝聚态物质简直像个大杂烩。实验揭示的细节远远超出了理论计算所能描述的范围。”

今年，繁忙的实验工作让莱娜无法返回家乡，去享受仲夏夜美丽的蓝色天空。但是她把斯堪的纳维亚装饰风格带到了实验室中：墙面被刷成了黄色和橙色，还使用了大量轻质木料。用她的话来说：“颜色很重要，颜色和光都是我感受快乐的方式。”看来，莱娜与美国诗人罗伯特·弗罗斯特（Robert Frost）心有灵犀：“光就是万事万物 / 在光熄灭之前，我不会现身 / 在我现身之前，光不会熄灭。”