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2022年诺贝尔物理学奖得主约翰·F·克劳瑟| 图片来源：https://www.johnclauser.com/简介：2022年诺贝尔物理学奖得主约翰·F·克劳瑟和他的学生们在舞台上只得到了C. did。我参加了两次量子力学考试，第三次就通过了。但在他的职业生涯中，他首先研究天体物理学并获得物理学博士学位，然后痴迷于量子力学的基本问题，并最终参与贝尔不等式和量子力学的研究，并因其对实验的贡献而获得诺贝尔奖。纠缠的检测。近年来，诺贝尔物理学奖陆续颁发给天文学相关领域的研究。比如，2017年我们将探测引力波，2019年我们将研究物理宇宙学并探测太阳系外行星，2020年我们将开展黑洞和银河系中心巨大高密度天体的理论研究（观察到黑洞）。就连我的天文学同事也感到不知所措。幸运的是，2022年诺贝尔物理学奖将颁发给量子力学领域，而不是天文学领域。但等一下。完全消除天文学并不容易。天文学还是要凑热闹，靠边站。 2022 年诺贝尔奖获得者之一约翰·克劳瑟(John Krauser) 负责通过实验检测贝尔不等式和量子纠缠。他因其在该领域的开创性工作而获得这一奖项，但媒体很少提及的是，克劳瑟博士在他那个时代的研究并不是关于量子纠缠，而是关于天体物理方向的宇宙微波，是对背景的测量辐射[1]。让我告诉你这个鲜为人知的轶事。图1：量子纠缠与天文学之间的神奇关系，2022 年诺贝尔物理学奖获得者Krauser 的天文冒险| 图片来源：Johan Jarnestad/瑞典皇家科学院+ESA/普朗克合作，作者进行了少量补充和调整。赛先生在攻读博士学位期间深入研究天体物理学。 1964年在加州理工学院完成本科学业后，克劳瑟前往哥伦比亚大学物理系攻读研究生。他的博士论文导师是Patrick Thaddeus [2,3，见图2]）。在哈佛-史密森天体物理中心（CfA）学习和工作过的天文学家可能对撒迪斯很熟悉。他在20世纪80年代建造了CfA 1.2米毫米波望远镜，并移居哈佛大学任教。他的著名作品是对银河系中CO（一氧化碳）分子的研究。图2：Patrick Thaddeus，克劳瑟在哥伦比亚大学物理系攻读博士学位时的导师。图片来源：自然天文学在哥伦比亚大学，克劳瑟问撒迪厄斯他的研究课题是什么，撒迪厄斯告诉他，他正准备在U2高空侦察机上安装射电望远镜进行观测，我说是的。克劳泽立即被这个好主意所吸引，并决定跟随撒迪厄斯学习。然而这个项目从未真正实施过，克劳泽继撒迪斯之后的最后一个项目是通过观察背景恒星光谱中的星际分子吸收线来测量宇宙微波背景辐射[1]。早期宇宙处于超高温和超密辐射主导的状态，光子辐射场本身达到热平衡，其光谱接近完美的黑体光谱。随着宇宙膨胀，光子红移，其能量降低，光子辐射场相应的温度降低，但黑体光谱仍然保持。如今，这个来自早期宇宙的光子辐射场的温度已降至2.73K（相当于-270.42摄氏度），其峰值波长已红移至毫米波波段，称为宇宙微波背景。 1965年，贝尔实验室的阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊通过射电观测意外发现了微波背景辐射[4]，为宇宙大爆炸论提供了坚实有力的观测证据，并因此获得1978年诺贝尔物理学奖。获奖。
宇宙膨胀（由勒梅特和哈勃在20 年代末发现）、宇宙微波背景辐射和宇宙加速膨胀（在90 年代末发现；珀尔穆特、施密特和里斯在贝尔获得2011 年诺贝尔奖）物理学）也许是20 世纪最重要的宇宙学发现。宇宙微波背景辐射如此重要，以至于因其黑体光谱的精确测量和发现其空间分布的轻微各向异性而荣获2006 年诺贝尔物理学奖（Mather 和Smoot）。如今，微波背景的各向异性已成为约束宇宙学模型和探索极早期宇宙的有力工具，其观测占据主导地位。当克劳泽与撒迪斯一起工作时，对微波背景辐射的观测才刚刚开始。他们的主题实际上可以追溯到1941 年，当时加拿大天文学家Andrew McKellar 研究了星际CN（氰基）分子的吸收线[5]。 McKellar 观察到两个CN 分子旋转能级（波长3870.0 和3870.6 埃，1 埃=0.1 纳米）的吸收线。两个相对强度对应于CN分子在两个能级上的相对分布。通过计算，他发现：产生这种相对分布所需的激发温度约为2.3 K，但当时我们不知道为什么。随后，Krauser于1966年发表的第一篇论文[6]是他和Thaddeus观察到CN分子中的两条吸收线，并获得了3.750.50K的旋转激发温度。更重要的是，他们指出，这对应于波长为2.63毫米的微波背景辐射的测量（对应于两条线的能级差异）（图3）。根据内维尔·沃尔夫的建议，他们将这项工作与微波背景辐射联系起来。当然，撒迪厄斯和克劳瑟还讨论了其他可能性（例如碰撞激发），发现在任何合理的天文环境中，来自微波背景的激发都起着绝对的主导作用。同时，他们使用额外的CN 和CH（次甲基）分子吸收线来给出较短波长下微波背景辐射强度的上限。图2：Thaddeus 和Krauser 1966 年论文的插图[6]。上图为蛇夫座光谱中星际CN分子的两条吸收线（横轴为波长，纵轴为光通量）。下图以此为基础给出了2.63毫米处的宇宙微波背景辐射强度。它还包括1965 年和1966 年另一组最早的微波背景辐射测量结果。该曲线是温度为100 时的黑体辐射光谱。 3K。大约在同一时期，George Field 和John Hitchcock 基于CN 分子吸收线的观察也得到了类似的结果[7]，他们的论文与Thaddeus 和Crowther 的论文连续发表在同一期《物理评论快报》 上。 [6,7]。由此，麦凯勒的观测终于在25年后得到了合理的解释，这意味着宇宙微波背景辐射实际上是在1941年间接发现的。 Thaddeus 和Krauser 以及Field 和Hitchcock 于1966 年测量了2.63 mm 的微波背景辐射，随后Wilson 和Penzias 于1965 年发现了7.35 cm 的微波背景辐射[4]，普林斯顿大学最早的测量是由Roll 和Wilkinson 于1966 年在3.2 厘米带上制造[8]（图3）。 Krauser于1969年参与的第二篇论文是限制较短波长的微波背景辐射的强度[9]。当我翻阅为本学期研究生宇宙学课准备的幻灯片时，我注意到微波背景辐射研究历史概述中明确提到了撒迪厄斯和克劳瑟的名字，但皮克劳并没有意识到这是泽根本。克劳斯。现在已经透露，这位新的诺贝尔奖获得者和量子力学专家实际上在他学术生涯的早期就对宇宙微波背景辐射的测量做出了贡献。
嗯，你可以和隔壁班的同学聊聊八卦。赛先生对贝尔不等式着迷，完成博士学位后，克劳瑟前往加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室跟随导师查尔斯·汤斯进行博士后研究[10]（图4）。这里简单介绍一下唐斯。 20世纪50年代，他在哥伦比亚大学工作，担任物理系主任。在此期间，他发明了微波波段激光器（微波受激发射辐射，微波激射器，中文译名）。 Maser）。他因此获得了1964年诺贝尔物理学奖。随后唐斯的研究兴趣发生了变化，他觉得天体物理学领域有很大的潜力，于是他鼓励自己的学生研究天文学，包括后来与威尔逊一起发现微波背景辐射的撒迪厄斯和彭齐亚斯也开始鼓励。图4：加州大学伯克利分校物理系Charles Towns 办公室（2013 年）。图片来源：加州大学伯克利分校[13] 汤斯本人在1967 年加入伯克利分校后专注于天体物理学研究。他的主题包括与他对脉泽（对星际介质和天体产生的脉泽的观测）的热爱相关的天文学研究。此外，在20世纪70年代末，他的研究小组对银河系中心进行了红外观测，发现了快速旋转的气体，表明中心存在一个质量为太阳300万倍的物体，我得出的结论是：是一个黑洞[11]。这应该是银河系中心大质量黑洞最早的观测线索。莱因哈德·根塞尔因对银河系中心超大质量黑洞的观察和研究而共同获得2020年诺贝尔物理学奖，在伯克利工作之前，他曾在汤斯研究小组担任博士后研究员。多年来，他从唐斯身上学到了很多东西，并认为唐斯是他一生中一个有影响力的人物。 [12]唐斯的另一项开创性工作是设计和建造了红外干涉仪来测量恒星的大小和形状。 2006年，笔者在普林斯顿高等研究院做博士后时，唐斯应邀访问并作了红外天文学的报告。他用了投影仪和OHP胶卷，但91岁高龄、身体强壮、头脑清醒的他就是无法接受。 2008年，唐斯作为“科学新视野”活动的重要嘉宾访问了北京，该活动旨在纪念望远镜发明400周年。汤斯先生于2015 年初去世，享年99 岁。即使在他去世之前，他仍然继续工作，直到生命的最后一刻。 [13]回到克劳泽的故事，他的导师唐斯的最初目的是研究射电天文学，但当时克劳泽却痴迷于贝尔不等式[1]。在去伯克利之前，他已经组织了三个朋友（波士顿大学的迈克尔·霍恩和阿布纳·西蒙尼，以及哈佛大学的理查德·霍尔特）写了一篇论文，推广贝尔不等式并发展局部隐变量理论。我提出了一个实验计划来测试它。他联系唐斯说他想做这个实验，但也担心伯克利的尤金康明斯研究小组是否会先到达。唐斯让他等他到达。克劳泽热爱航海，并拥有一艘游艇，因此他计划从东海岸向南行驶到得克萨斯州，再开车到加利福尼亚州，最后沿着西海岸向北到达伯克利。结果，克劳斯在佛罗里达遭遇飓风，提前缩短了海上行程。一路上，他每次进港都通过电话、书信与朋友交流，讨论论文的写作，并花时间在船上完善稿件。克劳泽到达伯克利后不久就提交了这篇论文，在这篇著名且被引用率很高的论文中，他介绍了后来以四位作者姓名首字母命名的CHSH 不等式，以及他对其的检验，并提出了一个实验设计[14]。
克劳瑟先生在伯克利做了相关报告，唐斯先生告诉当时也在场的康明斯先生，他觉得这很有趣，会支持克劳瑟先生进行独立研究，同时还告诉卡明斯的研究生他说他介绍斯图尔特·弗里曼先生为支持者。唐斯一般并不关心，因为他提出了这个想法，并从非天文学基金会资助了克劳瑟，而克劳瑟本人则通过在伯克利的偶尔讲座赚钱。赛山生最终被导师接纳，而到达伯克利后，克劳泽并没有进行唐斯所期待的天文研究，而是从康明斯研究组借来了相关设备，[15]并与弗里曼一起开始了研究。他设计的量子力学实验[1]。与唐斯的慷慨态度相反，撒迪厄斯却坚决反对。克劳泽从撒迪厄斯那里学到了很多关于量子力学，尤其是矩阵力学的知识，以及如何写出一篇好的科学论文，但是当克劳泽谈到用实验检验贝尔不等式时，撒迪厄斯认为这是浪费时间，而且他的未来他们断然指责他摧毁.即使在弗里曼和克劳瑟检验贝尔（CHSH）不等式的实验完成后，撒迪厄斯仍然固执己见，直接称他们的工作是垃圾。结果符合预期，但这意味着什么呢？当时很多物理学家都有类似的反应，大家都回避量子力学的基本问题，或许是受到“闭嘴，计算！”这一理念的影响[16]。在他写给克劳瑟申请这份工作的推荐信中，撒迪厄斯还警告他，如果他想利用一切机会做这种垃圾科学，就不要雇佣克劳瑟，而且他也是不择手段的Ta。但随后撒迪厄斯向克劳瑟道歉，并最终意识到克劳瑟的研究仍然包含一些非常有趣的物理学。 [1]尽管克劳泽研究了量子力学的基本问题，但他对量子力学的初步研究并不是一帆风顺。 [1]在哥伦比亚大学物理系，有几门核心课程研究生必须至少获得B 才能通过，其中之一就是高级量子力学。克劳泽首先跟随加里·范伯格（Gary Feinberg）学习了一个学期的量子力学，并获得了C 的成绩。他也是斯科特·多德尔森（Scott Dodelson）的学生，斯科特·多德尔森（Scott Dodelson）在宇宙学领域为他的同事所熟知）。第二次，尽管换了导师，克劳瑟仍然得到了C级。无奈之下，他只得第三次学习才通过。后来，克劳泽听说自己的导师唐斯在学习量子力学时重考了两次，顿时松了口气。哥伦比亚大学的物理系虐待了克劳泽千百遍，但他却像初恋一样爱着她，而且与他读本科的加州理工学院相比，哥伦比亚大学简直就是一流的理论物理和实验物理：充满活力的世外桃源，名人云集。从理论物理角度看，加州理工有费曼，哥伦比亚大学有李政道。克劳瑟认为李政道是他见过的最聪明的人之一，比费曼聪明得多（克劳瑟在《他们有不同的观点》中与费曼在一起。）他们在量子力学的一些基本问题上不太喜欢费曼） 。说到实验物理，哥伦比亚大学更是群星璀璨，包括许多当时和之后的诺贝尔奖获得者，如库什、拉维、拉姆齐、林、利德曼、丁家中，当然还有无冕冠军吴健雄。将会完成。克劳瑟特别指出，尽管吴肯雄和他的合作者首先使用电子衰变来制备量子纠缠，但当时没有人理解它与爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）悖论的联系。他说他不知道它。
在克劳泽看来，[1]对他影响最大的人是他的父亲（冯·卡门的学生、钱学森的哥哥）、撒迪厄斯和汤斯。他与后两者的联系最终源于天文学。与此同时，他还与许多精彩的人进行了各种意想不到的互动。现在，抛开所有的题外话和八卦，我很期待即将到来的天文学领域的诺贝尔奖。
来源：赛老师编辑：雪莹
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参考文献： [1] Joan Blomberg 采访John Crowther，2002 年5 月20 日，Niels Bohr 图书馆档案馆，美国物理研究所，College Park，马里兰州，www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral -histories/25096[2] Patrick Thaddeus, https://en.wikipedia.org/wiki/Patrick_Thaddeus[3] Dame, T. (2017). “Patrick Thaddeus”, 自然天文学， 1, 0170 .https://www.nature.com/articles/s41550-017-0170[4] Penzias, A.A. Wilson, R.W. (1965).“4080 Mc/s 下天线温度过高的测量”，《天体物理学杂志》，142, 419421 .doi:10.1086/148307。 [5] McKellar, A. (1941).“来自可能存在于星际空间中的原子组成的双原子分子最低态的分子束”，Dominion Astrophysical Observatory Victoria Publications, 7, 251. [6] Thaddeus, P. Clauser, J. F. (1966).“星际CN 观测中的2.63 毫米宇宙微波辐射”，物理评论快报，16, 819822. doi:10.1103/PhysRevLett.16.819.[7 [8] Roll, P. G. Wilkinson, D.T. (1966) . “3.2 厘米- 支持宇宙黑体辐射”，《物理评论快报》，16, 405407。 doi:10.1103/PhysRevLett.16.405.[9] Bortolot, V. J.Clauser, J. F.Thaddeus, P. (1969)。 =1.32、0.559 和0.359 mm 时背景辐射强度的上限”，《物理评论快报》，22, 307310。 doi:10.1103/PhysRevLett.22.307.[10] Charles H. Townes, https://en.wikipedia。 org/wiki/Charles_H._Townes[11] Lacy, J. H. Townes, C. H. Hollenbach, D. J. (1982).“银河系中央秒差距的本质”，《天体物理学杂志》，262, 120134. doi:10. 1086 /160402 [12] 莱因哈德·根泽尔访谈，2021 年3 月，https://www.nobelprize.org/prizes/physicals/2020/genzel/168955-genzel-interview-march-2021/[13] 诺贝尔奖获得者、激光发明家Charles Townes 去世，享年99 岁， https://news.berkeley.edu/2015/01/27/nobel-laureate-and-laser-inventor-charles-townes-dies-at-99/[14] Clauser, J. F. Horne, M. A. Shimony, A. Holt , R. A. (1970).“测试局部隐变量理论的提议实验。”《物理评论快报》, 24, 549549. doi:10.1103/PhysRevLett.24.549.[ 15] 物理学诺贝尔奖距离承认加州大学伯克利分校“幽灵行为实验” ',” https://www.berkeleyside.org/2022/10/04/john-clauser-physicals-nobel-uc-berkeley-stuart-freedman-spooky-action-at-a- distance[16] N. David Mermin，“闭嘴起来做数学！”, https://en.wikipedia.org/wiki/N._David_Mermin