主題：量子物理及其對日常生活的影響Quantum Physics and its Impact on Daily Life
時間：2009年3月25(三) 9：30 A.M.~11：30 A.M.
地點：台大物理系暨凝態物理中心204室
主講人：Professor Claude Cohen-Tannoudji 1997年諾貝爾物理獎得主
The Nobel Laureate in Physics1997
法國學院（College de France）暨Kastler Brossel 實驗室
法國巴黎高等師範學院（Ecole Normale Superieure, Paris, France）
法國冷原子研究院（Institut Francilien de Recherche sur les Atomes Froids)
※現場送精美小禮物
摘要
想了解微觀的世界必須要借重量子物理學，這門學科尤其有助於吾人了解光的 本質、光和原子間的互動，和雷射這種新光源的種種奧妙特質。最近科學家還發現可以藉由讓原子吸收和放射光來操縱原子、控制原子的偏震現象、位置以及速度， 他們還藉此方法開創了下列的應用科技，例如：光幫浦（optical pumping）、核磁共振造影（magnetic resonance imaging）、超精準原子鐘（ultra-precise atomic clocks）、原子干涉計（atomic interferometers）、Bose Einstein 凝聚物（Bose Einstein condesates）等。本演講Cohen-Tannoudji教授將以平易近人的方式介紹量子物理的一些基礎概念，並將談論這個領域中基礎研究的進展 如何能做出豐富的應用，將你我的生活大大改觀。
(成功大學翻譯)
Quantum physics is essential for understanding the microscopic world. In particular, it has led to a better understanding of the nature of light and of its interaction with atoms, leading to the realization of new sources of light, the lasers, with fascinating properties. More recently, it has been shown that absorption and emission of light by atoms can be used to manipulate atoms, to control their polarization, their position and their velocity, opening the way to various applications like optical pumping, magnetic resonance imaging, ultra-precise atomic clocks, atomic interferometers, Bose Einstein condensates. This lecture will introduce in a simple way a few basic concepts of quantum physics. It will be shown also how advances of fundamental research in this domain can open the way to a wealth of applications which transform our daily life.
諾貝爾獎官方網站介紹Claude Cohen-Tannoudji
我於1933年 4月1日出生於阿爾及利亞的康斯坦丁（Constantine），當時這裡屬於法國。我的祖先源於丹吉爾（Tangiers），在16世紀時，因天主教對 其他信仰者進行宗教迫害，他們逃離了西班牙，先遷徙至突尼西亞，之後在阿爾及利亞定居下來。事實上我的姓Cohen-Tannoudji就是代表來自丹吉 爾的Cohen家族。1830年後，阿爾及利亞成為法國殖民地，當地的猶太人因此在1870年以後歸化為法國公民。
我的父母親生活樸實，最關心的是子女的教育。我父親自學出身，非常熱衷於追求智識，不僅對基督教聖經和猶太教塔木經的經文有深入研究，對於哲學、心理分析 學和歷史也興趣濃厚。他傳給我對於研究、討論、和辯論的品味，也教給我猶太傳統中的重要特質 – 研究、學習以及和別人分享知識。
童年時我很幸運的逃過本世紀迫害猶太人的悲劇事件。美國人在1942年11月進駐阿爾及利亞，使我們免受當時納粹在歐洲各地對猶太人的迫害。我在阿爾及爾 完成小學和中學教育。1953年時我順利完成了高中學業，離開阿爾及利亞到巴黎繼續求學，因此幸運的逃過在阿爾及利亞進行的戰爭以及獨立前的混亂時期。
我獲准進入巴黎的高等師範學院（Ecole Normale Supérieure）就讀，這是法國在大約200年前大革命時成立的高等教育機構，只有入學考試表現最優異的高中生才能入學。1953-1957年我就 讀該校，這四年是很獨特的經驗。第一年我上了Henri Cartan 和Laurent Schwartz開授的數學課，以及Alfred Kastler的物理學。開始時我對數學比較有興趣，不過因為Kastler的物理課實在太有啟發性了，而且他的個性很吸引人，我因此轉修物理。
1955年我進入Kastler的研究室做學位論文研究，這個團體人數很少。Kastler最早的學生裡有一位是Jean Brossel，四年前剛從美國麻省理工學院追隨Francis Bitter做研究回來，他當時負責督導Jacques Emile Blamont和 Jacques Michel Winter的論文研究。
我們組裡人數雖少，但熱衷實驗，工作認真。Brossel和 Kastler幾乎整天都在實驗室，甚至周末還繼續工作。我們不斷的討論如何解釋實驗結果。當時的實驗設備簡陋，我們在沒有電腦、記錄器、和信號平均器的 情況下做實驗和研究，我們用電流計逐點測量共振波，每個共振波測量五次，再以手計算求平均值，這樣也得出了不錯的共振波和令人興奮的結果。這段時期的學習 經驗成為日後我研究工作的基礎，Alfred Kastler和 Jean Brossel兩位研究者也對我影響深遠。
我們每週都去法國國立電腦科學及控制研究研究院（INRIA, Saclay, http://www.saclay.inria.fr/）參加新開的課程，包括Albert Messiah的量子力學、Anatole Abragam的核磁共振、以及Calude Bloch的核子物理，課堂上刺激的氣氛我至今難忘。
1995年夏天我到阿爾卑斯區著名的Les Houches暑期學校進修兩個月，該校對法國理論物理學的進展貢獻卓著。那時該校提供當代物理學的密集訓練課程，連續兩個月、每天大約六堂課，授課的講 師包括J. Schwinger、N. Ramsey、G. Uhlenbeck、W. Pauli、A. Abragam、A. Messiah、和C. Bloch等人。
完成學位課程之後，從高等師範學院畢業前還要參加一項高難度的教師資格檢定考試，包括理論、實驗和教學方法三方面。考試時要對其他同學 和一位 教授試教一堂 課，然後他們會對你的教學進行討論，並提供建設性的批評，提供使你教學更進步的建議。我記得Kastler參加了教學法的訓練考試，並教我們在講課時如何 組織和表達。
這時我遇到了Jacqueline，我們在1958年結婚，她和我共渡了人生的起伏，成為高中的物理和化學教師，撫養我們的三個孩子Alain、 Joëlle和Michel長大，並且支持我的研究生涯。我們共渡了家庭生活中許多悲傷的時刻，其中最遺憾的是長子Alain在1993年久病後辭世，得 年34歲。
在考完教師資格檢定後，我由高等師範學院畢業，開始服兵役，當時正值阿爾及利亞戰爭，因此我這兵役一服長達28個月。不過，有部分的時間我在由 Jacques Emile Blamont指導的科學部服勤。我們研究大氣層上層火箭在日落時排放碘原子構成的雲的現象。由觀察碘原子受陽光激發放出的螢光，我們可以測量各種參數， 如風速和溫度在不同高度的變化。
1960年初我回到實驗室，在Alfred Kastler和Jean Brossel共同指導下攻讀博士學位，同時在法國國家科學研究中心（CNRS, French National Center for Scientific Research）擔任研究職務。這時我們的研究室已經擴大了，Bernard Cagnac 忙著完成他研究汞的奇同位素光幫浦的論文，我則和Jean-Pierre Barrat 想辦法導出光幫浦週期的主方程式，並試著了解密度矩陣（所謂的原子相干性）非對角元素的物理性質。我們的計算預測了Zeeman各個次階層「光位 移」（light shift）的存在，這種奇特現象完全不在我們的預想之中。我決心要看到這種現象，Cagnac在聖誕假期把實驗設備留給我，而我在1960年的平安夜首 次得出此現象的實驗證據。當時真的興奮極了，Kastler和Brossel也都高興得不得了！Kastler把這個現象命名為「燈位移」（lamp shift），因為在實驗中這種現象是用放電燈的光製造出來的，目前都稱此為「光位移」或「Stark 位移」。我又設計了新的實驗來詳細測試這些計算的其他預測，尤其是在光幫浦週期Zeeman相干性的保留。我在1962年12月交了博士論文，審查委員包 括Jean Brossel、Pierre Jacquinot、Alfred Kastler和Jacques Yvon等人。
完 成 博士學位後Alfred Kastler力促我接受巴黎大學的教職，我接受了他的建議在大學部教書。這時法國的大學系統有改革，也就是所謂的「三年週期制」，包括在研究所以比較有 彈性的方式教學。Jean Brossel要我教量子力學，他本身則教原子物理，Alfred Kastler和Jacques Yvan教統計物理，Pierre Aigrain和Pierre-Gilles de Gennes教固態物理。
高等師範學院裡最優秀的學生都來聽我們的課，我組織了一個小組，每年讓一位新生加入作碩士論 文或 博士研究。1967年時，我教較初級（第二週期）的量子力學，那本【量子力學】的教科書在此時成形，本書是和Franck Laloë 及 Bernard Diu合作完成的。
我們研究小組的主要目標之一是想了解在高強度極限時，使原子混亂的措施不再有效的情況下原子和光子間的互動情形。我們因此把「原子 + 光子」的系統視為一個具有真實能量階層、並能獨立於時間的哈密頓算符（Hamiltonian, H）的全域性孤立系統，藉此發展出新的解釋問題的途徑，稱為「綴飾原子」（dressed atom）。在這種途徑裡對電磁場的量子描述對解釋原子物理中多數的現象無關緊要，但綴飾原子方法對原子和光子間的互動提供新的物理洞見，這方面倒是頗有 貢獻。有些新的物理現象，如用標準的半古典方法很難預測出來，但在綴飾原子模式的能量分析圖裡，當我們檢視能量圖如何隨著光子的數量增加而改變時就一目瞭 然。當Nicole Polonsky、Serge Haroche、Jacques Dupont-Roc、Claire Landré、Gilbert Grynberg、Maryvonne Ledourneuf和Claude Fabre在進行他們的論文研究時，我們首先發表了在無線電波長範圍的綴飾原子模式。我們所預測並觀察到的新現象之一是特定原子階層和極高頻率的無線電波 場互動時其藍徳因數（Landé factor，或迴轉磁因素）的修正或取消現象。這種現象和電子自旋的g-2異常現象除了增加的方向相反以外，有些雷同：原子階層的重力會因吸收或再放出 無線電頻率的光子而減少，但電子自旋的重力會因無線電干涉而增加。
我們花了不少精力來解釋這種增加和減少的現象，而這讓我們在數年後和Jacques Dupont-Roc以及Jean Dalibard提出了包括真空擺盪和無線電反應的個別貢獻的新物理圖像。在我們進行這些探討時，我們和Victor Weisskopf有不少刺激的討論，Victor Weisskopf對於g-2異常現象的物理解釋一直都很有興趣。
綴飾原子方法在光領域也很有用處。自動釋放在衰減機制和螢光光子的來源裡扮演重要的角色。Serge Reynaud和我應用這種方法來解釋高強度的共振雷射光束的共振螢光。Mollow三重態和微弱探測光束的吸收光譜因此得出新的物理圖像，在此圖中並可 預測和觀察到由速度依賴的光位移導出的Doppler效應的補償產生出的新Doppler自由光。綴飾原子無線電柵的圖像也提供了有關光子關聯和光子反聚 束的新洞見。此後我們和Alain Aspect在奧塞的光學研究所（Institut d'Optique）合作，用綴飾原子方法預測並以實驗觀察到Mollow三重態兩側放射出的光子新的時間相關模式。
1973年我成為法國學院的教授（Collège de France），這是我科學生涯當中的重要事件之一。法國學院於1530年由法蘭西一世國王（King François I）成立，是要制衡當時太過於學術化、而且只教神學和拉丁文的巴黎大學（Sorbonne）。該校首先獲國王任命的講師有：3位教希伯來文、2位教希臘 文、以及1位教數學。法國學院安然度過了歷次革命，直到今天仍以教學彈性著稱。目前該校各科共有52位教授，演講對所有人開放，而且不需註冊、也不授予學 位。教授可自選授課主題，不過每年都要變換。這很困難、造成不少壓力，但也 能刺激 教授拓展知識、開發新領域並挑戰自我。要不是為了準備新課程，我不可能開 創實驗小組所嘗試的研究方向。感激Anatole Abragam讓我到此任教，這些教學經驗使我寫就和Jacques Dupont-Roc及Gilbert Brynberg合作的兩本關於量子電熱力學和量子光學的書。
1980年初期，我選擇講授放射力學（radiative forces）方面的課程，在當時是很新的領域。我和Serge Reynaud、Christian Tanguy及Jean Dalibard試著應用綴飾原子來解釋在雷射波中原子的運動，分析綴飾的能量狀態以及綴飾狀態的自發性改變之雙極力平均值、擺動以及速度依賴，因此產生 許多新觀念。
1984年時，有個機會能自行指派在法國學院實驗室的副主任，我請Alain Aspect擔任此職，並請他和我及Jean Dalibard共組研究雷射冷卻和侷限的新實驗團體。一年後Christophe Salomon 由JILA（http://jilawww.colorado.edu/jilameans.html） 追隨Jan Hall的博士後研究回來，加入我們，大伙兒就此展開一段科學大冒險！我們研究一種由綴飾原子途徑所暗示的新的冷卻機制，還研究由持續高強度雷射波的綴飾 狀態能量之空間調製、和綴飾狀態間自動比率的空間調製之相關所產生的冷卻機制。由於這些相關所產生的結果，移動中的原子比較傾向於向高電位移動，而較不會 向低電位移動。一開始時我們把這種現象稱為「受激發的藍色光學糖膏」（stimulated blue molasses）因為它是在冷卻雷射的藍位移時出現，這和Doppler光學糖膏需要紅位移才能產生正好相反。事實上，這種新現象是我們現在所稱的 「Sisyphus 冷卻」（我們在1986時引介了此名稱）現象的第一種高強度的版本。不久後我們又觀察到在持續波的波節或反波節的原子管道。這是首次呈現中性原子在可見光 域值的雷射侷限現象。
幾年後在1988年時，Bill Phillips（也和我們合作過）已經觀察到次Doppler溫度的現象，我們正對光幫浦、光位移和綴飾原子等進行更詳盡的準備，以解釋在低溫時的這些 異常現象。事實上它們都是由Sisyphus 冷卻現象的另一種低強度反應產生。朱棣文（Steven Chu）和其同事也得出類似結果。我們和Alain Aspect及Ennio Arimondo共同探索應用相干的組群侷限到雷射冷卻的可能，若使這種量子干涉效應在特定速度產生，可以展示新的冷卻現象，而且是沒有最低溫度下限的， 這種冷卻現象可在單一原子吸收或放出單一光子的反彈動能之反彈極限之下冷卻原子。這些令人興奮的發展開啟了微度（μK）甚至是奈米度（nK）範圍的雷射冷卻，也成功開發了某些新的應用。
這些應用我會在接下來的諾貝爾演講中敘述。這個自傳演說的目的是想讓各位了解我的科學旅程，以及感謝讓我經歷了這場偉大的科學冒險之旅的人們，包括：家人、老師、學生以及全世界的科學同僚。
謹以接下來的諾貝爾演講紀念我的長子Alain。
本文選自【1997諾貝爾獎】，編輯為Tore Frängsmyr，諾貝爾基金會出版，斯德哥爾摩，1998。本自傳寫於得獎之時，之後收於【諾貝爾演說】系列，內文資料有時會由得獎人更新。
成功大學研發快訊編輯部 張萬珍翻譯
冒牌老師註:對Cohen-Tannoudji教授的印象是兩冊量子力學名著. 有英文版和中文簡體版.內容十分詳實. 對自學的人挺有幫助.
留言列表
