光的探索：从伽利略望远镜到奇异量子世界

自古以来，光照亮了人类世界，让世人为之着迷。然而，直有在最近的四个世纪中，我们才逐渐揭开了光的秘密。直到距今不久的时期，我们才在科学技术的帮助下“驯服”了光，而这些现代科技彻底改变了我们的生活。至于可见光的表亲——微波，我们发现它也不过是一百多年前的事，而微波在现代通信、导航和医学成像等设备中无处不在。我们通过发明激光来“驯服”可见光也才刚刚六十年。激光射线的非凡特性让我们获得了根本性的发现，那些我年轻时难以想象的仪器、设备也被一台台地发明了出来。

在过去的半个世纪里，我有幸成为了参与这场知识大冒险的一份子。我想通过描述个人致力于光的研究的科学生涯，和读者们分享当一位研究者每次看到一个能够给世界带来意想不到的惊喜的新现象时所感受到的快乐。经过多年的研究，我和我的团队成功地将几个微波光子困在一个带有反射壁的盒子里，时间超过十分之一秒。通过让这些脆弱且难以捕捉的光粒子与由激光束激发的原子发生相互作用，我们在实验中观察到了光的波动行为和粒子行为，展示了量子世界的奇异特性。除了发现的乐趣之外，我们还兴奋地想到，这项工作有朝一日可能会带来新的应用，尽管现在还很难预测它们会是什么。事实上，每一个发现了新的有前景的对象的研究者，都经历过类似的快乐和兴奋。

在当下，人们对科学的需求比以往更加紧迫，一件很重要的事情是，让非专业的听众能够通过研究者的个人叙述理解他的动机、他的好奇心的来源以及偶然性在探索过程中所起到的作用。在这个过程中，惊喜永远不会缺席。同样重要的是，我们要明白，科学研究首先是知识的创造者，它丰富了几个世纪以来积累的文化遗产。与其他人相比，研究者们会以一个更高的视角来观察这个世界，用牛顿的名言来说，他们是坐在前辈巨人的肩膀上。基于这一有利位置，他们是让我们的文明所必需的知识和理性科学方法代代相传的传递者。

谈论科学，不仅丰富了我的视野，而且加深了我对世界的理解的他人的科研工作。我希望与各学习阶段的学生和刚入门的研究者们分享我的研究热忱，让他们能够在这场持续更新的冒险中，继续科学的事业。我也希望这本书能够引发那些好奇的普通民众对这段历史的兴趣，这段历史曾经深刻地影响了我们看待世界的方式，并赋予了我们强大的行动手段和控制能力。我还想通过一己的见解，让已经知道这段历史大致轮廓的读者产生进一步的兴趣。我在本书中描述了今天我们对光的了解，以及我们是如何了解这些的，也谈到了我们仍然不知道的东西，以及我们的子孙后代需要厘清的东西。

对我而言，想要讨论我的研究，似乎就不得不将它置于横亘数世纪的学术探索的丰富历史背景之下。这段历史，除了光学之外，还包括了其他所有的知识流派。弄清楚“光是什么”这一问题，这当然是物理学的范畴，但这项研究也对其他科学，比如天文学、化学、生物学甚至生命科学都产生了深远的影响。探索我们的星球，确定它的大小和精确的形状，我们对光的理解的进步也在其中发挥了巨大的作用。因此，谈论光就意味着需要唤起所有知识领域。

越来越精确的测量在这个故事中起到了至关重要的作用。随着各种仪器的发明，对自然界的观察真正成为了科学，仪器让我们能够用数字来量化所研究的现象，并且以客观和可重复的方式、通过测量的数据来描述它们，首先是距离和时间间隔，然后是更微妙的量，如力、电荷和场。随着数学、几何学和代数学的共同发展，将这些数据与理论模型联系起来，在一个普适性的解释框架中统一了看起来明显不同的各种现象。想要呈现这段历史，意味着要说明科学知识是如何在仪器的进步和计算方法的改进之间的不断互动中一步步建立起来的。第一位切割透镜镜片并将其组合成放大镜的工匠，以及制造出第一只精确的摆钟的钟表匠，也都是这段历史中不可或缺的角色。正如发现复数或导数与积分概念的数学家一样。

向非专业的大众介绍科学并不是一件容易的事。利用图像和比喻看上去很有吸引力，但是我们要避免让它们产生误导作用。想要深刻理解“光是什么”，我们必须引入量子物理学的知识，这就有可能导致话题朝向神秘主义倾斜的风险。量子物理学之所以令人困惑，是因为我们不能直接用感官和我们对宏观世界的直觉去感知它，但它其实并不神秘。对于量子世界的发现者来说，量子物理以一种合乎逻辑的方式呈现了自己，并引发了一个严谨的数学理论，使我们能够精确地计算观察到的现象，而没有留下任何深奥含糊的空间。

毫无疑问，伽利略应该是最早尝试以教育的方式向广大观众介绍他的发现的科学家之一。在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》一书中，他向同时代的那些怀疑和困惑的人们展示了运动的相对性。摒弃“地球是静止的且位于宇宙的中心”这一观念，对于文艺复兴时期的人们来说，是非常困难的，就像现代人在描述原子和光子所在的不确定世界时，要从牛顿运动轨迹的经典形象中解放出来一样困难。伽利略当时所面临的风险是巨大的, 因为反对宗教教条等同于异端, 这是宗教裁判所所认定的最严重的罪行。如今，那些试图揭示其多种应用已经给我们的日常生活带来了革命性变化的物理学科中的反直觉概念的科学家们，显然不需要再面对 17 世纪物理科学家们同样的命运了。

然而，我意识到，在今天，当研究人员向非专业人员传递科学信息时，所带来的危险虽然不那么引人注目，但却是真实存在的。他或她的介绍可能太过于技术性或者太简单化了。在这本书中，我试图避免这些陷阱，以渐进的方式介绍光、相对论和量子物理学的概念，而不是使用方程式或形式系统。顺着几个世纪以来的思想和理论的谱系，我将逐一介绍那些困扰着伟大的科学前辈们的问题，我想，随着篇幅的逐渐推进，对于读者来说，它们会变得越来越熟悉，越来越容易被理解。

回顾历史，我们将回溯现代科学的起源，也让我有机会给大家介绍我心中的科学英雄，从伽利略到爱因斯坦，我将提到那些家喻户晓的科学家所做的工作，以及其他一些相对不知名的人，他们也为这场伟大的冒险做出了贡献。本书并非科学史专家的客观专著。在描述这段曲折丰富的知识史时，我可能在一些细节上有误。事实上，这本书可以被看作我个人对几个世纪以来关于光的知识演变的看法，因为我曾经就是这样感受它的，而且它曾经指导和启发了我自己的研究。

在本书中，光的历史将与我个人的研究历程交织在一起。它分为长度大致相同的两个部分。其中，第一章和最后两章，涵盖了过去的五十年。它们描述了我个人的研究，以及我所见证的、同时代科学家们的发现。对物理学基础知识有一定了解，并对光科学和激光科学的现代发展感兴趣的读者，可以从这几章开始阅读。本书的中间部分，即第二章到第五章，通过介绍17～20世纪的光科学发展全景，呈现了其历史背景。我展示了光科学是如何演变发展并决定性地影响了我们的世界观的。这些章节还说明了，从现代科学诞生伊始，在纯粹的好奇心驱使下进行的基础研究与人类探索地球、发展商业和工业的活动之间就建立了深刻的联系。我希望这本书一方面能够引起非科学从业者们的兴趣，而另一方面，对于那些“专家”读者来说，能够让他们注意到这一段充满惊喜的荡气回肠的历史中，那些被忽视或遗忘的细节。

我在这本书中插入了很多图片，但为了让读者的阅读更加流畅，我没有在文中明确提到这些图片。这些插图和它们的说明可以看作补充资料，可单独查阅。此外，我尽可能地让各个章节的内容彼此独立，让它们主要集中在某些专题之上，比如光的历史的不同阶段，或者是我个人的研究经历。不过，从一章到下一章之间，有一些过渡性的提示文字，将整本书中讨论的思想和概念在不同的背景下联系起来。在历史方面，我的灵感来自大量文献，在附录中被列举在若干参考项下，其中包括我的研究小组的三部出版物。在本书的最后，还有一个按照字母顺序排序的人名索引，提到了在光学历史中占有一席之地的科学家们的名字，读者们可以很轻松地在维基百科上阅读他们的个人传记，这可能是对本书阅读的有益补充。

几个世纪以来，阐明光的性质一直是一项与现代科学的诞生和发展密切相关的历程。在经历了许多令人惊讶的曲折之后，最终引出了相对论和量子物理学，这两个理论深刻地改变了我们在微观和宇宙尺度上对世界的看法。

在《光的探索：从伽利略望远镜到奇异量子世界》一书中，诺贝尔物理学奖得主、物理学家塞尔日·阿罗什将自己的求学、职业生涯置于科学发现的丰富谱系中，从伽利略、牛顿到爱因斯坦和费曼，从光速的早期测量到量子纠缠的前沿工作，阿罗什教授对光在我们如何观察和理解宇宙中所扮演的角色进行了深入的探讨。

《光的探索：从伽利略望远镜到奇异量子世界》由两部分交织而成：第一章和最后两章，回顾了作者本人在原子分子光物理（原分光）的实验领域中历经半个世纪的科研生涯,这部分同时也是光的科学史在过去几十年中的最新篇章；第二章到第五章，则为围绕光和物理学史的主线展开的一场引人入胜的完整叙事，作者回溯了现代科学的起源，也给读者介绍了他心中的科学英雄，从伽利略到爱因斯坦。作者获得诺贝尔物理学奖的实验工作所展示的对单个量子系统的操控是目前蓬勃发展的量子信息、量子模拟和量子计量技术的基石，书中对最前沿的量子信息学的科普介绍，是站在科研第一线的科学大师对前沿科技及其未来发展做的权威解读。

本书适合对物理科学与现代科学起源和发展感兴趣的各层次读者阅读，诺奖大师通过生动的文笔、深邃的思想，围绕光的探索，为我们揭开现代科学神秘的面纱。

塞尔日·阿罗什，法兰西公学院荣誉教授，法国科学院院士，欧洲科学院院士，美国国家科学院、美国人文与科学院、俄罗斯科学院、巴西科学院等的外籍院士。作者与他的科研团队在巴黎高等师范学院的卡斯特勒-布罗塞尔实验室开展对量子力学基础现象的实验研究。作者在量子光学和量子信息领域做出了杰出的贡献，并因此在2009年获得CNRS金质奖章（法国国家最高科学荣誉）。在2012年，作者因为“开发能够测量和操纵单个量子系统的开创性实验方法”而荣获诺贝尔物理学奖。作者曾在巴黎第六大学、巴黎综合理工学院、巴黎高等师范学院、哈佛大学和耶鲁大学任教。

译者简介

孙佳雯，英法双语译者，拥有理学学士、社会学硕士学位，法国巴黎社会科学高等研究院社会学博士，旅居法国多年。自2016年起，出版十余本法语与英文科普译著，其中《万物皆数》《与宇宙对话》荣获法国外交部与法国驻华大使馆傅雷出版资助。

吴海腾，复旦大学物理学学士，南京大学凝聚态物理硕士，索邦大学量子物理博士，于2018—2022年期间在位于巴黎法兰西公学院的阿罗什教授课题组进行圆态里德伯原子相关的博士课题研究。

前言

第一章  宿命的缘起

最初的热情：从数学到天文学

初识现代物理学

“闭嘴，去计算！”

当原子和光子成为旋转的陀螺：光抽运

重新认识世界：丰富又奇妙的存在

互信且自由的学徒时期

激光的前景

研究的起点

初次赴美，重燃我最初的激情

“蓝天研究”

第二章 天文台广场前的思考

见证科学革命起源的两种仪器：望远镜和摆钟

测量光速以丈量宇宙

光的科学被定量化：笛卡尔与他的《屈光学》

大自然总是以最短、最简单的方式行事：费马原理

惠更斯与光的波动理论

牛顿，光微粒与颜色

测量地球的形状

追求精确

基础科学、商业、国力与技术

第三章 法拉第实验室的沉思与浮想

杨对牛顿的挑战

光的偏振

菲涅耳与波的胜利

矢量相加，光波相扰

旋转的振动：圆偏振

数学照亮光学

再会光速

从启蒙时代的沙龙到法拉第的实验室

“场”概念的诞生

光、电、磁的交汇

一些谜团解决了，但另一些还存在

• 开尔文勋爵的两朵乌云

迈克耳孙和以太之谜

爱因斯坦横空出世：思想实验

相对论思想带来的改变

时空混合

质量与能量的结合：E = mc²

爱因斯坦“最快乐”的想法又一次来自伽利略

引力与时空弯曲

相对论的预言和“后见之明”

第五章 光，照亮神秘的量子世界

紫外灾难

光：在波与粒子之间

将量子推广到物质

爱聚集的光子和与它们类似的原子

揭开物质波的面纱

波函数，量子态和叠加原理

粒子家族的扩张

一种本质的全同性

量子物理学的潘多拉魔盒

从经典到量子：费马、莫佩尔蒂和费曼之间一场跨世纪的对话

一场穿越数量级的旅行

量子情景：单个对象还是统计系综？

再论杨氏双缝

测量、互补性和不确定关系

围绕想象中的实验展开的辩论

量子纠缠

薛定谔的猫与经典-量子之间的边界

第六章 激光、光子和巨型原子

被光子所缀饰的原子

在加州初识激光

战胜多普勒效应

量子拍

加州轶事

第一次大型国际会议

巨型原子的未知地带

腔量子电动力学的诞生

大西洋两岸的研究和教学

激光致冷革命

陷俘离子和量子跳跃

第七章 驯服薛定谔的猫

光子盒

圆态原子

量子乒乓

量子编织

如何看到光子而不破坏它们？

一个光子的生与死

再会杨氏移动狭缝实验

一边数光子，一边看量子跳跃

量子场的X射线照相

薛定谔的光之猫

探索量子和经典之间的边界

迈向量子计算机：乌托邦还是未来现实？

费曼的梦想：量子模

鬼魅般的超距作用：量子密码学和量子远程传态

量子计量和光钟

后记 科学与真相

拓展阅读

科学家姓名索引

致谢

几个世纪以来，阐明光的性质一直是一项与现代科学的诞生和发展密切相关的历程。在经历了许多令人惊讶的曲折之后，最终引出了相对论和量子物理学，这两个理论深刻地改变了我们在微观和宇宙尺度上对世界的看法。

在《光的探索：从伽利略望远镜到奇异量子世界》一书中，诺贝尔物理学奖得主、物理学家塞尔日·阿罗什将自己的求学、职业生涯置于科学发现的丰富谱系中，从伽利略、牛顿到爱因斯坦和费曼，从光速的早期测量到量子纠缠的前沿工作，阿罗什教授对光在我们如何观察和理解宇宙中所扮演的角色进行了深入的探讨。

《光的探索：从伽利略望远镜到奇异量子世界》由两部分交织而成：第一章和最后两章，回顾了作者本人在原子分子光物理（原分光）的实验领域中历经半个世纪的科研生涯,这部分同时也是光的科学史在过去几十年中的最新篇章；第二章到第五章，则为围绕光和物理学史的主线展开的一场引人入胜的完整叙事，作者回溯了现代科学的起源，也给读者介绍了他心中的科学英雄，从伽利略到爱因斯坦。作者获得诺贝尔物理学奖的实验工作所展示的对单个量子系统的操控是目前蓬勃发展的量子信息、量子模拟和量子计量技术的基石，书中对最前沿的量子信息学的科普介绍，是站在科研第一线的科学大师对前沿科技及其未来发展做的权威解读。

本书适合对物理科学与现代科学起源和发展感兴趣的各层次读者阅读，诺奖大师通过生动的文笔、深邃的思想，围绕光的探索，为我们揭开现代科学神秘的面纱。

塞尔日·阿罗什，法兰西公学院荣誉教授，法国科学院院士，欧洲科学院院士，美国国家科学院、美国人文与科学院、俄罗斯科学院、巴西科学院等的外籍院士。作者与他的科研团队在巴黎高等师范学院的卡斯特勒-布罗塞尔实验室开展对量子力学基础现象的实验研究。作者在量子光学和量子信息领域做出了杰出的贡献，并因此在2009年获得CNRS金质奖章（法国国家最高科学荣誉）。在2012年，作者因为“开发能够测量和操纵单个量子系统的开创性实验方法”而荣获诺贝尔物理学奖。作者曾在巴黎第六大学、巴黎综合理工学院、巴黎高等师范学院、哈佛大学和耶鲁大学任教。

译者简介

孙佳雯，英法双语译者，拥有理学学士、社会学硕士学位，法国巴黎社会科学高等研究院社会学博士，旅居法国多年。自2016年起，出版十余本法语与英文科普译著，其中《万物皆数》《与宇宙对话》荣获法国外交部与法国驻华大使馆傅雷出版资助。

吴海腾，复旦大学物理学学士，南京大学凝聚态物理硕士，索邦大学量子物理博士，于2018—2022年期间在位于巴黎法兰西公学院的阿罗什教授课题组进行圆态里德伯原子相关的博士课题研究。

甘子钊院士：壮丽的和深情的“史书”

这是一本介绍17世纪以来，人类认识和“驯服”光的历史的书。和通常的科学史著作不同，这本书叙述光的历史是和作者个人的学习、成长和研究的历程交织在一起的。作者自己就是这段光的历史中，特别是最近六十多年光的历史中，一个做出过标志性贡献的人物。他写这段壮丽的历史时，表露出的对大自然的美，对探索大自然的本质和规律的科学研究，对科学研究中如何在观察、实验、测量和理论之间长时间的折返、演变和构建的刻骨铭心的热爱和执着，是无与伦比的。作者热爱的，毕生致力的是以纯粹的好奇心为驱动力的基础研究。无论研究者自身的愿望，还是研究者的选题目的，都来自对大自然和科学的热爱，没有具体功利的追求。但是，人类社会的发展历史，不是已经证明，并且在愈来愈深刻地证明，这种研究活动，才真正是对人类社会发展不断提供着最强大的物质和精神财富的一种人类活动！这本用深情写成的“史书”，就在确证这个真理。

潘建伟院士：必将成为一部重要的科学经典！

作为2012年诺贝尔物理学奖得主，塞尔日·阿罗什深度投身于光的科学的探索研究。在《光的探索：从伽利略望远镜到奇异量子世界》一书中，阿罗什沿着现代科学思想的起源锚点，透过宽广的时空、浩淼的宇宙，历数了光的科学的发展脉络，书写了从伽利略到爱因斯坦对光的探索、认知，写就了历代物理英雄自17世纪开始为推动现代科学发展而走过的筚路蓝缕之路，本书必将成为一部重要的科学经典！