諾貝爾物理學獎得主朱棣文
吳月輝 捕風捉影難矣，捕捉以每小時4000公里速度運動的原子更難。然而，有位華人能耐大，他制服了原子，也因此捧走了 1997年諾貝爾物理獎的桂冠。 “山不在高，有仙則靈，水不在深，有龍則靈�！� 斯坦福大學物理系有座很不起眼的小樓，便是這樣一個藏龍臥虎之地，這里孕育了好幾位諾貝爾物理學獎得主和硅谷最早的開拓者。 和朱棣文博士的談話就在樓內的一間辦公室里。室內陳設簡單：一臺電腦、一個書架、一張辦公桌、一個沙發(fā)和幾把椅子。朱棣文一邊收拾桌上凌亂的書籍和文件，一邊說：“我這里很亂，科學工作者大概都是這個樣子。請問我坐在哪里說話比較好?”他一直閉門謝客，埋頭準備諾貝爾頒獎會上要發(fā)表的學術演講，這次是破例接受中國記者的獨家采訪。 他穿一件T恤衫，一個普通不過但精力充沛的人，看不出他有一頂諾貝爾獎的桂冠。因為開發(fā)用激光冷卻和捕捉原子的方法，朱棣文博士和其他兩位科學家獲得了1997年諾貝爾物理學獎。 在美國土生土長的華裔教授朱棣文只能用英語交談。談話是從“光糖漿”開始的，因為正是他開發(fā)的這種奇妙方法使他躋身于諾貝爾獎得主的行列。從1901 年到現(xiàn)在的97年間，全世界多如繁星的物理學家僅有154人獲此殊榮，其中，斯坦福出了6位。 光糖漿和聚合體 原子以每小時4000公里的速度在運動。為了準確地研究原子及其內部結構，物理學家們夢寐以求的是將原子運動的速度放慢直至相對靜止的狀態(tài)。朱棣文所做的就是這件事。 他開始做試驗的時候是1984年，當時他是AT＆T貝爾實驗室的量子電子技術部主任。1985年他取得了突破——用激光照射原子從而使其減速。原子對不同的光有不同的反應，朱棣文將激光微調到比共振稍低的頻率，從6個方向撞擊原子，使快速運動的原子在撞擊下產生“多普勒效應”；原子吸收光，被光撞擊后就被彈回去。這樣，原子運動的速度就下降到每小時1/10公里。朱棣文說：“我把這種方法叫做頗有詩意的‘光糖漿’，是因為原子就像一個彈子掉到糖漿里，不管哪個方向都會被粘住，被捕捉住。”朱棣文和他的同事們還成功地設計了第一個原子陷阱，使冷卻的原子不受重力的影響而下沉。 肉眼看到的在“光糖漿”里被捕捉住的原子群，就像豆子般大小發(fā)亮的一團云霧。在朱棣文的眼中，“光糖漿”如同詩一般的美麗。在別的物理學家們看來，那幾乎處于靜態(tài)的原子群也一定美麗異常。 使用這種方法，科學家們可以進一步了解光和物質的相互作用，特別是氣體在超低溫狀態(tài)下的量子物理習性。70年前，愛因斯坦假設過在超低溫狀態(tài)下幾乎停止運動的原子群(玻色—愛因斯坦冷凝物)，現(xiàn)在科學家們用這種方法實現(xiàn)了愛因斯坦的假設。目前科學家們正用這些技術來設計用于宇航的非常精確的原子鐘、測量重力的原子干涉儀以及制造微小電子元件的原子激光。 朱棣文從1987年開始到斯坦福大學任教。聽說他這些年來一直進行生物物理方面的研究，因此記者問：“問一個可能是外行的問題：你是否將注意力從原子物理轉向了生物物理?” 他說：“你的這個問題并不外行，做生物物理方面的研究，無論理論還是實驗室的設備，都與原子物理不同。但我的注意力是在生物、聚合體和物理之間。我現(xiàn)在繼續(xù)在做原子物理方面的研究，比如激光冷卻、原子捕捉、低溫等等，我的實驗室目前在做4個方面的實驗。我們用原子干涉儀來測量原子在重力下的加速運動，精確度可以達到十億分之一。我們還用原子來試驗對稱理論，如時間反向不變性。在生物學的研究方面，我們使用的是物理的技術�！� 10年前，朱棣文和他的兩個同事發(fā)現(xiàn)，用激光束(“激光鑷子”)可以操縱浸沒在水中的細菌等極細微的物體�，F(xiàn)在他用這種方法來研究單獨的分子聚合體。塑料、合成纖維和活細胞中的脫氧核糖核酸中都有這種聚合體。過去科學家們只能把幾百萬、幾十億的聚合體放在一起研究，而朱棣文的實驗室則可以研究個體的聚合體。朱棣文和他的學生還用“激光鑷子”來研究蛋白質在個體分子中的運動狀態(tài)。從1993年到1997年，他們在這方面的研究成果頗豐，有10篇論文發(fā)表在《科學》、《自然》等刊物上。 “你從事生物物理方面的研究，是因為生命科學將成為下個世紀的主導科學嗎?” 朱博士說：“誰也說不準生命科學會不會成為主導科學。我認為物理學將繼續(xù)對所有學科的發(fā)展作出貢獻。我們創(chuàng)造的激光鑷子和還沒有公布的其他研究，部分地是根據(jù)傳統(tǒng)物理學開發(fā)出來的技術，我并不只是為了讓生物學家做實驗才開發(fā)出來的，我同時也是在做一個物理學家要做的事，即在更廣泛的領域來從事物理學研究。現(xiàn)在是有一些物理學家改行成了生物學家，我倒是想可以將部分生物學領域納入物理學�！� “我從小就喜歡動手擺弄東西” 談過深奧的物理學之后，我們的采訪進入了較為輕松的話題�！爸Z貝爾獎的5 位華裔得主中，有4位是物理學家。這是否說明了點什么?”除朱棣文之外，其他三位華裔諾貝爾物理學獎獲得者是楊振寧、李正道和丁肇中。 朱棣文回答說：“實際上李遠哲博士是一位物理化學家，他研究的分子束和交叉分子束和物理非常接近。所以我們可以說，5名諾貝爾獎華裔得主都是來自物理學領域的。他們之中兩位是理論物理學家，其他三位是實驗物理學家。沒有證據(jù)說明這其中有什么必然性。當然從學業(yè)能力傾向測驗(SAT)和研究生入學考試(GRE)來看，許多中國人的數(shù)學都考得很好，比英語部分要好。數(shù)學根底對于學物理是很重要的，其他學科對于數(shù)學的要求沒有物理學、物理化學那么高。許多中國人學物理也許就是因為這個緣故。但是在科學上的成功，需要比考好綜合性考試更多的品質，比如鍥而不舍的精神，還要有常識，需要書本之外的個人經驗。課本知識和考試是重要的，但僅僅學好課本和考試得高分是不夠的。” 隨后我們又談到學物理的中國學生一般理論學得好些，但實驗就差一些情況。朱棣文說，“情況確實如此，而這可能與他們小時候動手做東西的機會少有關。中國父母總是要求子女學好書本，不讓孩子去做飛機模型和擺弄機械等事。我是在美國長大的，從小就喜歡擺弄東西，機械、馬達什么的，在美國，孩子動手做東西總是受到鼓勵。我想動手和不動手是一種文化上的差別。 5歲、10歲的孩子動手做些東西，對他們將來的發(fā)展大有好處，動手先要動腦筋，所以這是一件好事，而不是一件丟臉的事。” 中國的父母如今也許不會認為動手是丟臉的事，但看見孩子擺弄自行車、鐘表、鋼筆什么的，多半不會鼓勵而會說：“哎呀，快去做作業(yè)讀書吧。” 朱棣文博士說的大概就是這種情況。 朱棣文大學本科學的是物理和數(shù)學，由于成績好，老師說他可能成為理論物理學家，所以畢業(yè)后進了加州大學伯克利分校，那里的導師要他專攻理論物理，但6個月后朱棣文就開始做自己感興趣的實驗。 雖然朱棣文強調應用物理，但他同時認為還有無數(shù)的理論問題向物理學家提出了挑戰(zhàn)。他說：“有些報紙說，20世紀解決了所有重大的物理學問題，那是不正確的看法�！� 朱棣文列舉了實驗宇宙學、高能粒子、原子物理和復雜系統(tǒng)等4個方面一些 “令人激動的問題”。第一，實驗宇宙學。宇宙的命運如何?是繼續(xù)擴展還是會封閉?宇宙間的多數(shù)物質還沒有被觀察過，90％以上的物質是看不見的。太陽還能燃燒多久?這樣的問題也許對我們沒有實際意義，但人類對此是有興趣的。現(xiàn)在物理學家能夠用硬科學的方法而不是用方法論來回答這樣的問題，這是一個巨大的成就。第二，在高能粒子物理學方面也有許多問題，比如我們還沒有一種微觀引力理論。在宏觀世界，我們可以在太陽系、銀河系運用這一理論，但在微觀世界，我們不能將量子力學和引力理論相結合。高能是不能在實驗室里產生的，但粒子的問題對于認識宇宙最初的形成具有重要意義。也許物理學家們會找到好的方法來解決這個問題。第三，原子物理學和我們的存在有更直接的關系。由于我們對固體有了更多的了解，人類就發(fā)明了晶體管和激光。科學家們期望在這個領域將繼續(xù)有對日常生活產生重大影響的新的技術發(fā)明。激光冷卻和捕捉原子雖然不如激光本身那么重要，但正在對其他科學產生影響。第四，如原子、固體、壓縮、聚合體等等領域，物理學將進入更加復雜的系統(tǒng)，我們將尋找更好的、不同的數(shù)學解釋方法。比如在生物學領域，個體蛋白質是怎樣形成的以及形成的方式受誰的控制。 朱棣文說：“在我從事理論物理學研究的20年中，我從來沒感到過一切都已做完。在實驗方面，物理學家們將繼續(xù)尋找觀察自然的新方法以及進行實驗的新技術�！� 理論與實踐相結合 話題轉到中國時，朱棣文首先談到他和江澤民主席的兩次會見，第一次在北京，最近的一次在洛杉磯。他說和江主席的談話是輕松的，因為江主席做過工程師，對科技問題以及科學對于經濟發(fā)展的意義非常了解。 朱棣文說，他和江主席討論過基礎研究和應用科學的問題。他說，美國和中國的領導人都重視基礎研究，同時希望盡快將科學應用于實際，以提高技術水平和促進經濟的發(fā)展。不但政治家這樣想，工業(yè)企業(yè)的領導人也抱有同樣的希望。“基礎研究和應用在科學界是一個有爭議的問題。在美國，一些搞基礎理論研究的科學家對應用嗤之以鼻，認為應用侵犯了他們的尊嚴。我認為這是一種不正確的態(tài)度。我個人覺得科學家的應用研究、工程研究做得越多越好，這只會促進基礎科學的研究，同時應用研究可以成為新工業(yè)的基礎，為人民日常生活的改善作出貢獻�！� 他說，斯坦福大學做很多基礎研究，但斯坦福的校園氛圍與伯克利略有不同。他70年代在伯克利讀博士和做博士后的時候，學生們總是說“我們關心物理的基本問題就行了”。但在斯坦福，研究生們常說的一句話是“為什么不辦一個你自己的公司，看看結果怎么樣呢?”硅谷就是由斯坦福教授弗雷德里克特曼開始的，他本來是一個理論物理學家，后來到斯坦福來教工程。他就鼓勵學生為當?shù)氐墓敬蚬げ㈤_辦自己的公司。朱棣文說：“在美國，將基礎理論實驗室的成果轉化成新興工業(yè)，這個過程相當快，我不知道其中的魔力何在，但斯坦福和硅谷可以提供一些線索�！� 事業(yè)生活兩不誤 49歲的朱棣文現(xiàn)在指導3個博士后、帶8個研究生，每年給碩士研究生開兩門課，還要在大學部做研究工作和從事自己的研究和試驗。此外，他要和前妻輪流照顧兩個孩子。他門下的一位博士生說，“朱棣文教授活得并不累，主要是他太愛物理學了。實際上，這門看起來有些枯燥的學問是他的興趣所在。他一天可以工作十幾小時，不覺得是個苦差事，樂在其中。” 真是知師莫如徒。朱棣文聽到記者轉述學生對他的觀察時笑了起來。他說：“也許我不是一個非�？鞓返娜�，但我確實非常愛我的工作，做研究，搞實驗，物理學，生物聚合體，對我都是一種樂趣，一種享受。教書也是如此，雖然給學生出考題有時煩人，但多數(shù)時間是令人愉快的，備課就很有意思上課時，我覺得將自己心中關于物質的概念、物質的圖象，而不僅僅是數(shù)學方程式，簡明形象地告訴學生，簡單而不失真，這實在是一件很愉快的事�！彼牟┦可鹫f：“朱教授的課確實很精彩，他的口才好，講課時趣味橫生�！� 朱棣文說自己是一個興趣廣泛的人。過去喜歡讀小說和其他文藝作品，喜歡畫畫，現(xiàn)在太忙，只好放棄。也許退休后可以再撿起來�，F(xiàn)在尚保留的是健身運動，如打網球、游泳、騎自行車。他說，運動使他，精力充沛感覺良好。每個星期天他騎車上山，每次兩三個小時。他也喜歡烹飪。在享受生活的時候，他有時也會突然想出物理學上的一個好點子。照看孩子也許不能說是他的業(yè)余愛好，但他認為那是他的責任，他得檢查他們數(shù)學學得怎樣。正式采訪是下午6時按約準時開始的，整個談話一小時。分手的時候，這位諾貝爾獎得主說：“對不起讓你等了半個小時。但現(xiàn)在我可以回家做飯去了�！�
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