1989 年诺贝尔物理学奖——原子钟和离子捕集技术

1989 年诺贝尔物理学奖的一半授予美国马萨诸塞州坎伯利基哈佛大学的拉姆齐（Norman F.Ramsey，1915—2011），以表彰他发明了分离振荡场方法及用之于原子氢微波激射器及其他原子钟；另一半授予美国西雅图市华盛顿大学的德梅尔特（Hans G.Dehmelt，1922— ）与德国波恩大学的保罗（Wolfgang Paul，1913—1993），以表彰他们发展了离子捕集技术。

1989 年三位诺贝尔物理学奖获得者都是在原子物理实验技术方面作出过杰出贡献的物理学家，他们创造性地发展了精确的计量方法，大大改进了实验的技术条件，使许多以前无法进行的实验得以实现，并达到前所未有的精确程度。由于他们的工作，科学界有可能对一些基本物理定律进行更深入的检验，从而提高了人类认识物质世界的能力。

拉姆齐在 1950 年提出分离振荡场方法，解决了原子钟设计里的关键问题，创制了铯原子钟。1960 年又提出并建造了原子氢微波激射器，也就是氢原子钟，使计时的不确定度下降到 1×10⁻¹²。保罗 1951 年设计了由六个磁极构成的聚焦磁场，可以使中性分子聚集，对分子束研究极为有用。后来他又设计了一种射频四极电场，能够把带电粒子囚禁在电场中，这一电场就相当于一个捕捉粒子的陷阱。这项工作成为以后带电粒子存储技术的先驱。德梅尔特 1958 年就开始研究用电磁场形成的陷阱把电子或其他带电粒子存储在隔绝状态的实验方法。他和合作者不断改进实验原理和实验装置，历经二三十年，终于在 80 年代取得了重大成果。他设计的离子陷阱实验装置，可以把单个自由电子长期地（几天或几周，甚至更长）存储在所谓的彭宁（Penning）陷阱里，让它作受迫运动，并不断从电子的运动提取有关电子特性的各种讯息。他的小组测到的电子 g 因子，比别的方法精确得多，达到了 13 位数字，是基本物理常数中最精确的一个。

值得指出的是，这三位杰出的物理学家，他们的工作都与原子束方法有渊源，都曾长期在这个领域作过许多工作，有所发现，有所发明。德梅尔特早在 1949 年就因受到核磁共振发现的激励，发现了核四极共振（简称 NQR）。拉姆齐在导师拉比（I.I.Rabi）的指导下，1940 年第一个对分子的旋转磁矩进行过精确测量，并首次观测到这类磁矩随核的质量变化的关系。这时他还只是正在做博士论文的研究生，就显示了惊人的才干。后来他受聘留在哥伦比亚大学任教，并从事原子束共振研究。1947 年转哈佛大学，在那里他发明了铯原子钟。

原子钟的发明

说起铯原子钟的发明，这里有一段引人深思的轶事。

早在 1940 年，拉比就预料到铯 133 的超精细结构有可能作为频率测量的基准。拉姆齐记得当时在拉比小组中就讨论过这个问题。他们打算用这一跃迁测引力红移，还一度建议美国国家标准局的有关专家研制原子束钟、可是由于技术条件尚未成熟，这一建议只好束之高阁。第二次世界大战期间由于雷达的广泛应用，微波电子学有了长足发展，用感应法和吸收法相继发现核磁共振，人们认识到，用原子钟来计时的日程已经不远了。

原子束实验装置素以结构复杂，设备庞大著称，因为它既需加热，又需抽高真空，还要有强大的射频场和特殊要求的磁场，使分子束或原子束发射、聚焦、选态、激发和检测。怎样才能简化这些设备呢？这是使物理学家大伤脑筋的问题。特别是为了减小谱线宽度，还必须采取某些特殊的措施，使事情更复杂化。根据理论分析，得知谱线宽度与振荡场区的长度成反比。这个振荡场区要求保持均匀的微波场和磁场。振荡场区的长度越长，谱线宽度就越窄，频率测量的精度就越高。但是，实践的结果并不尽如人意。振荡场区加长，又会遇到新的问题，射程长了，原子束的强度大减，而且难以保证磁场均匀，所以加大长度，谱线反而增宽。

拉姆齐和大家一样，也在为这个问题作各种探讨。他当时正在哈佛大学上物理光学课，正当他百思不得其解之际，迈克耳孙的测星干涉仪的设计思想启发他找到了一个绝妙的办法。迈克耳孙的测星干涉仪是 20 世纪 20 年代初颇引人瞩目的一项工作，他在加州威尔孙山天文台的 100 英寸天文望远镜上加了两道反射镜，形成两翼，相距 6 m，利用两翼的光束互相干涉，测星体的角直径，结果把望远镜的角分辨率加大了几十倍，从而第一次测出了星体的角直径，解决了过去用望远镜一直没有解决的问题。相距 6 m 的反射镜相当于把望远镜的口径加大为 6 m，实际上即使做成这样庞大的望远镜，也可能无法保证干涉条纹的清晰度。后来，迈克耳孙的设计方案被人们写进了教科书，拉姆齐在教光学课时当然会涉及这个问题。

拉姆齐想，可不可以也用类似的办法来改造原子束的振荡场呢？经过推算，证明在振荡场两端用两条狭窄的振荡区即可代替整个振荡场，只要两端的驱动微波同位相，整个场的不均匀性就不会影响共振曲线的宽度，反而可以使宽度窄 40%。这一设计思想立即使铯原子钟的制造获得了成功的希望。图 89 – 1 是拉姆齐为了产生分离的两束振荡场而采用的振荡器探头。1952 年第一台应用分离振荡场方法的铯原子钟（在美国国家标准局问世，频率宽度比原来的方法小了十倍）。接着，英国的国家物理实验室也于 1955 年建成了铯原子钟（图 89 – 2），三年后他们发表的结果是：铯 133 原子基态两个超精细能级间跃迁辐射频率为 9 192.631 770 MHz。这一频率后来在 1967 年被第十三届国际计量大会正式用来定义时间的基准。铯原子钟（图 89 – 3）具有极高的准确度和长期稳定度，所以被选作复现原子秒定义的时间频率基准器，但是它的设备比较庞大，难以移动。于是，其他类型的原子钟相继被研制问世。1960年，拉姆齐又发明了氢原子钟（图89-4），它的短期稳定度优于铯原子钟，但因受到贮存泡“壁移效应”的限制，准确度比铯原子钟低一个数量级。后来又有人制造成铷原子钟，它的结构简单，轻便价廉，虽然准确度不高，但短期稳定度尚好，作为工作标准是很适宜的。

离子陷阱的发明

如果说铯原子钟为科学的发展提供了精确的计量标准，那么离子陷阱实验方法就为探索微观粒子的特性开辟了一条新途径。

所谓离子陷阱是一个专用名词。它的主体是三个电极组成的电场区，如图 89 – 5 所示，中间是一双曲旋转面电极（称环电极），上下各有一罩电极，也呈双曲旋转面形。在环电极与罩电极间加 10 V 左右的直流电压，中间形成四极电场区。再在沿轴线方向加一均匀磁场，于是就形成一个可以囚禁电子的陷阱。再在下电极加一射频驱动电压，使电子作受迫轴向振荡。电子在磁场中还要作回旋加速器运动和磁控管运动，这些运动的频率可以经上电极的谐振电路检测，如图 89 – 6 所示。

电子被隔绝在电极和磁体所控制的陷阱里，都安置于地球上，与地球构成一个整体，就好像电子是被地球束缚住了似的，于是德梅尔特最初给它起了一个代号叫地球素（geonium），实际上就是地球原子的意思。陷阱的尺寸极其精巧，环电极的最小直径仅为 0.325 cm，整套装置封在真空度达到 10⁻¹⁴ mmHg 的真空管内，插入超导线圈，并一起浸于液氮之中。超导线圈产生的磁场强达 5 T，环境温度大约 4 K。在这样低的温度下，电子的状态只能用量子化的能级来描述。可以说，它是在最低的几个能级上跃迁，同时不断地改变自旋取向，能级跃迁和自旋反转都可经轴向感生电压的频率变化反映出来。

经过复杂的检测，可以从自旋运动的频率 ν 与回旋加速器频率 ν_C 之比求出电子的 g 因子，1984 年，德梅尔特小组测量的结果是：

\(\frac{1}{2}\)g_e = 1.001 159 652 193(4)

g 因子是表征电子或其他微观粒子特性的重要参数，把这个参数测量得如此精确，对认识物质世界规律有十分重要的意义。

首先，可以通过量子电动力学计算精细结构常数 α，根据 1984 年的测量结果，德梅尔特小组计算得到的

α⁻¹ = 137.035 994 2（5）（89）

其中第一项误差来自实验，第二项误差来自理论计算，他们得到的 α 值比别的方法精确好几倍。

其次，如果把从 g 因子计算的 α 值跟其他方法得到的 α 值比较，就可以对量子电动力学理论进行检验。这个比较一直在进行，可以说，不同途径得到的 α 值高度符合，证明了量子电动力学的正确性。

还有，比较不同的微观粒子的 g 因子，可以检验某些重要的物理规律。例如，1987 年德梅尔特小组测量出正电子的 g 因子为：

\(\frac{1}{2}\)g（e⁺）= 1.001 159 652 187.9(4.3)×10⁻¹²

用同一方法测得负电子 g 因子为：

\(\frac{1}{2}\)g（e⁻）= 1.001 159 652 188.4(4.3)×10⁻¹²

两者相比，得：

g（e⁺）/g（e⁻）= 1.000 000 000 000 5（60）

这不能不说是对 CPT 定理的最严格的一次检验！

离子陷阱实验方法还可用于质子和重离子。经过补偿的彭宁陷阱可以当作高分辨率的质谱仪测量电子和质子的质量比，其精确度超过以往的任何方法，1986 年德梅尔特小组的成员戴克（R.S.VanDyck）等人测得；m_p/m_e = 1836.152701（37），不确定度仅为 2×10⁻⁸。

用陷阱的方法研究微观粒子的特性具有重大的科学价值，多少年来，人们研究电子及其他粒子，对它们有了许多了解，但是过去做的许多实验，都无法排除电子之间和电子与外界之间的相互作用，因此人们对电子的知识都是统计性的。地球素实验第一次突破这一局限，可以把电子和其他粒子单个存储在特定的区域里，长期与外界隔绝，这就为人们进一步探索微观粒子的基本性质提供了崭新的手段。

获奖者简介

拉姆齐  1915 年 8 月 27 日出生于美国华盛顿特区，母亲是德国移民，当过大学数学教师，父亲是西点军校毕业生，当过美军军官。由于父亲工作没有固定地点，他小时常随家周游世界，学习不按常规，基本上靠的是自学，结果在 15 岁上以优异成绩从高中毕业。

拉姆齐早年对科学的兴趣是由阅读一篇关于原子的量子理论而激发的。当时他并不认为物理可作为自己的职业。父母曾指望他步父亲的后尘去西点学军事，可是当时他还太小，于是就申请了一项奖学金到堪萨斯大学哥伦比亚学院上学，学的是数学。由于他每年都获得竞赛优胜奖，在高年级时竟得到了只有研究生才能从事的教学助理的工作。1935 年拉姆齐从哥伦比亚大学毕业。由于兴趣所在，乃转攻物理。

接着，拉姆齐又得奖学金到英国剑桥大学卡文迪什实验室学习。这里群英汇集，他第一次接触到分子束方法，后来回到哥伦比亚大学跟随拉比做博士论文，正好拉比发明了分子束磁共振方法，使他认识到这是一种很有潜力的新途径。他很幸运，就在他读研究生期间，他和库什（Kusch）等人，共享了发现氘核四极矩的荣誉。

第二次世界大战期间，拉姆齐领导了 3 cm 波长雷达的试制小组，还到华盛顿当军事主管部门的雷达顾问，1943 年参加过曼哈顿计划。

战争结束后，拉姆齐回到哥伦比亚大学当了教授，在拉比的领导下恢复分子束实验室，并带领研究生测量一系列的核磁数据，还积极筹备布鲁克海文国家实验室，1946 年拉姆齐成了该实验室的物理部第一任主任。

1947 年拉姆齐转到哈佛大学，在那里一直工作了四十年，建立分子束实验室，以便精确地进行磁共振实验。当时遇到的主要困难是没有足够均匀的磁场。这促使他发明了分离振荡场方法。分离振荡场方法不但为铯原子钟的建立莫定了基础，还使他们有可能测量许多不同分子的分子特性和磁特性，其中包括核自旋、核磁矩和电四极矩，分子旋转磁矩、自旋-旋转相互作用、分子中电子的分布等。

进入 90 年代，拉姆齐还在进行分子束和中子束研究。他主持建设哈佛回旋加速器实验室，并用这台加速器进行质子质子散射研究。

拉姆齐虽然基本上是一位实验物理学家，但对理论也十分喜爱，曾经建立核磁共振化学位移理论、分子核的相互作用的理论和负绝对温度下的热力学和统计物理学的理论。

拉姆齐 1986 年从哈佛大学退休后仍活跃在物理学界，与各大学及中心实验室建立有广泛联系。2011 年 11 月 4 日逝世于美国的卫兰。

德梅尔特  1922 年 9 月 9 日出生于德国的哥利兹（Gorlitz），父亲曾在柏林大学学习过法律。第一次世界大战中当过炮兵军官。1940 年，德梅尔特中学毕业后，应召入伍，当了纳粹的炮灰。1943 年在柏林郊区当过高射炮兵。1943—1944 年出于军事需要，被送往布雷斯劳（Breslau）工业大学学习物理，后来又回到部队参加迫击炮团。1945 年年初被美军俘虏，次年释放后进格丁根大学学习。1948 年及 1950 年分别获学士学位和博士学位。1950—1952 年在格丁根大学当博士后。1955 年到美国，1956 年成为西雅图华盛顿大学的助理教授，1961 年升正教授，1978 年被选为美国科学院院士。

保罗  1913 年 8 月 10 日出生于德国萨克森州洛仑兹基希（Lorenzkirch）的农村里，父亲曾是慕尼黑大学药物化学教授，所以保罗小时在慕尼黑受过良好教育，并很熟悉化学实验室里科学家是如何工作的。可惜其父在他十五岁时就去世了。他厌烦中学偏重拉丁文和古希腊文的做法，决心成为物理学家。他接受他父亲好友索末菲的建议，先当了精密机械工艺的学徒。1932 年秋，进入慕尼黑工业大学学习。他听到名师讲物理课，丰富的演示实验激起了他对物理学的兴趣。两年后保罗转到柏林工业大学学习，在那里很幸运地遇到了一位物理教授，对他像慈父一般地关怀，这位教授正工作于超精细光谱学和磁矩领域。保罗和他一起工作了十六年，另外有一位理论物理学家贝克尔（Becker），对他也有深刻影响，不仅在科学本身，还影响到他的思想，包括待人接物和政治态度。

1937 年保罗转到基尔（Kiel）大学读博士学位。论文题目选的是从超精细光谱测定钡的核矩。他利用原子光源以减小多普勒效应。正当要做实验时，被征入伍，不久就爆发了世界大战。所幸后来请到了假，完成了博士考试。1940 年，保罗脱离军队，回到导师身边继续做科学研究，从事的是质谱学和同位素分离。后来还与医学系的同事合作，做放射生物学和电子癌症治疗工作。保罗 1993 年 12 月 7 日逝世于波恩。

官网链接，拉姆齐论文链接，德梅尔特论文链接，保罗论文链接。

发布时间：2023/12/17 21:03:47  阅读次数：586