伽利略在17世紀(jì)初發(fā)明了天文望遠(yuǎn)鏡，首次觀測(cè)到土星周圍有一個(gè)環(huán)。列文虎克則在60年后用自制的顯微鏡，在一滴池塘水里看到許多微小的生物在游來(lái)游去。葉軍說(shuō)，建造原子鐘，猶如同時(shí)建造一個(gè)顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡。因?yàn)樵隅姷倪\(yùn)行，是基于原子內(nèi)部電子的躍遷頻率，這需要了解微觀層面原子之間的相互作用。而將不同的原子鐘送入地球軌道，連接起來(lái)，便可以將整個(gè)地球變成一個(gè)靈敏的望遠(yuǎn)鏡，用來(lái)觀察宇宙。
葉軍是一位制造原子鐘的物理學(xué)家，也是研究量子多體物理學(xué)的科學(xué)家，現(xiàn)任職于美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校、美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）以及二者共建的天體物理聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（JILA）。
葉軍從1999年開(kāi)始致力于建造光學(xué)原子鐘，不斷提高測(cè)量時(shí)間的精度，探索微觀的量子力學(xué)與宏觀的引力理論。他建造的光學(xué)原子鐘，是世界上最精準(zhǔn)的光學(xué)原子鐘，對(duì)一秒鐘的測(cè)量精度達(dá)到了10-19，也就是說(shuō)在整個(gè)宇宙年齡的時(shí)間里，這個(gè)時(shí)鐘的誤差不會(huì)超過(guò)一秒。在2022年，他和同事利用制造原子鐘的技術(shù)，第一次在毫米尺度驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。
“如果你可以創(chuàng)造一個(gè)新的儀器出來(lái)，把測(cè)量科學(xué)的前沿往前推幾步，去看人家從來(lái)沒(méi)有看到過(guò)的東西，能夠幫助人們看得更深一點(diǎn)，或者看得更遠(yuǎn)一點(diǎn)，（我）就覺(jué)得賦予了自己很大的力量。”
9月20日，在合肥舉行的第二屆新興量子技術(shù)國(guó)際會(huì)議的間隙，葉軍接受了“墨子沙龍”的專訪，回顧了自己的研究之旅，以及為何會(huì)花20多年來(lái)建造光學(xué)原子鐘。物理學(xué)家葉軍花了20多年的時(shí)間，來(lái)推動(dòng)光學(xué)原子鐘的精度。在這一過(guò)程中，他做出了許多重要的發(fā)現(xiàn)，包括2022年在1毫米的尺度上驗(yàn)證愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。圖片由受訪者提供。
葉軍1967年出生于浙江紹興的一個(gè)知識(shí)分子家庭[1]，父母都是大學(xué)畢業(yè)生，這在當(dāng)時(shí)并不常見(jiàn)。他的父親曾在海軍服役，在葉軍6歲時(shí)回到家鄉(xiāng)工作，母親則是農(nóng)業(yè)和環(huán)境領(lǐng)域的科學(xué)家，常常需要出差[2]。
在很長(zhǎng)一段時(shí)間，葉軍大多數(shù)時(shí)候是和奶奶一起生活的。盡管奶奶并不識(shí)字，她在葉軍剛剛開(kāi)始記事起就送給他一支鉛筆和一個(gè)筆記本作為禮物，以鼓勵(lì)他的學(xué)習(xí)。葉軍很早就愛(ài)上了閱讀和寫(xiě)作。他喜歡明朝的三言二拍的古文小說(shuō)，也喜歡雨果、莫泊桑、契訶夫的短篇小說(shuō)，家里訂的《小說(shuō)月報(bào)》，他每期必看。他也愛(ài)讀魯迅的雜文，尤其是對(duì)于人性入木三分的描寫(xiě)。當(dāng)金庸的小說(shuō)在20世紀(jì)80年代進(jìn)入內(nèi)地，他很快成為了金庸迷，甚至在1984年去外地參加全國(guó)首屆高中物理競(jìng)賽時(shí)，隨身攜帶的兩本書(shū)，其中一本就是金庸的《天龍八部》。語(yǔ)文老師費(fèi)錫如欣賞葉軍的作文，常常鼓勵(lì)這個(gè)文筆出眾的男孩：葉軍，你要成為一個(gè)作家。與此同時(shí)，葉軍也喜歡解數(shù)學(xué)題，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)興趣濃厚。“我非常崇拜我的語(yǔ)文老師，一個(gè)復(fù)旦大學(xué)畢業(yè)的不折不扣的才子。在他的壓力下——但這個(gè)是非常好的壓力，他給了我很多的動(dòng)力。我那時(shí)候就確實(shí)掙扎過(guò)一段時(shí)間，到底去做文學(xué)家還是去念理科?！比~軍告訴“墨子沙龍”。在那次物理競(jìng)賽之后，葉軍覺(jué)得自己還是對(duì)物理更感興趣一些——他夢(mèng)想著作為科學(xué)家，“可以算算東西”，“說(shuō)不定做點(diǎn)有用的事情”。因?yàn)樵谖锢砀?jìng)賽中的優(yōu)異表現(xiàn)，他在1985年被上海交通大學(xué)物理系錄取。交大四年，葉軍學(xué)會(huì)了怎么去做光學(xué)實(shí)驗(yàn)，學(xué)會(huì)了通過(guò)閱讀文獻(xiàn)對(duì)問(wèn)題追根究底。“李劬老師教了我怎么樣去看不同的文獻(xiàn)，如果你不懂的話，你就再找上一篇的文章，如果你還是不懂，再找上一篇的文章?！?/span>那個(gè)時(shí)候沒(méi)有互聯(lián)網(wǎng)，要讀美國(guó)《物理快報(bào)》（Physical Review Letters）雜志的一篇文章，需要到學(xué)校圖書(shū)館復(fù)印。“圖書(shū)館里面有一個(gè)復(fù)印機(jī)，5分錢(qián)印一張，我還記得很清楚，把復(fù)印機(jī)里面把4頁(yè)的稿子印出來(lái)2毛錢(qián)，然后拿回實(shí)驗(yàn)室去讀，就像寶貝一樣。”盡管最后沒(méi)有從文，這位物理學(xué)家說(shuō)，他覺(jué)得文學(xué)帶給一個(gè)人的影響是巨大的，包括對(duì)待新事物的態(tài)度，對(duì)人生的看法。或許還有對(duì)友情的看法。2016年，他在JILA的同事、好友、合作者金秀蘭（Deborah Shiu-lan Jin,昵稱為Debbie）因癌癥英年早逝，年僅47歲。金秀蘭比葉軍小一歲，是一位天才物理學(xué)家，2003年在實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了第一個(gè)費(fèi)米子凝聚態(tài)，這被認(rèn)為是物質(zhì)的第六種形態(tài)[3]。葉軍寫(xiě)了一篇記念文章，追憶與金秀蘭之間的點(diǎn)滴[4]。他用五個(gè)由字母C開(kāi)頭的單詞來(lái)形容金秀蘭：Caring（體貼）,Charming（優(yōu)雅）,Clarifying（直言）,Confident（自信）,Courageous（勇敢）。在闡釋自信時(shí)，他舉例說(shuō)，曾經(jīng)有很多大學(xué)想聘請(qǐng)他，但他都沒(méi)有認(rèn)真想過(guò)這件事。終于有一所大學(xué)讓他動(dòng)心了，因?yàn)槟抢镉袔孜凰浅Ｗ鹁吹耐?。他就此到金秀蘭的辦公室征求她的意見(jiàn)?！白蛱煳医拥竭@些同行的電話……”Debbie微笑著，露出了深深的酒窩：“軍，你喜歡和我一起工作，對(duì)不？”葉軍說(shuō)：“是的……”“但是我不會(huì)去其他學(xué)校?！盌ebbie說(shuō)。然后，事情就這么解決了。
在解釋“勇敢”時(shí)，葉軍寫(xiě)道——“在整個(gè)癌癥治療過(guò)程中，我想Debbie一直認(rèn)為她會(huì)克服這個(gè)挑戰(zhàn)，就像她克服在物理實(shí)驗(yàn)中的挑戰(zhàn)一樣。她只哭過(guò)一次，那是一月下旬，她告訴我自己患了癌癥，然后她試圖安慰開(kāi)始哭泣的我?！?/span>
Debbie離開(kāi)后，葉軍代替她來(lái)繼續(xù)指導(dǎo)她的部分博士研究生，直到他們從科羅拉多大學(xué)畢業(yè)，取得博士學(xué)位。作為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，葉軍對(duì)人的觀察細(xì)致入微。他曾這么描述自己的博士后導(dǎo)師、加州理工學(xué)院教授杰夫·金布爾（H.Jeff Kimble）——“當(dāng)我們的二女兒Selene（詩(shī)蓮）大約4歲時(shí)，杰夫來(lái)我們家吃晚飯。Selene從未見(jiàn)過(guò)像杰夫這么高的家伙，所以她不停地和他玩耍。他們玩的游戲之一是兩人拇指大戰(zhàn)，杰夫巨大的手掌完全吞噬了Selene的小手掌（我希望他捏得輕一點(diǎn)）。然而，Selene的拇指仍然可見(jiàn)，她還在盡力去抓住杰夫的拇指。從遠(yuǎn)處看著，我看到了杰夫完全沉浸在游戲中。我希望Selene足夠成熟，能夠意識(shí)到杰夫是多么認(rèn)真地在和她玩游戲。他玩游戲的專注程度，和他追求生活中大多數(shù)事情時(shí)是一樣的?！?/span>[5]
從1990年在《應(yīng)用光學(xué)》（Applied Optics）發(fā)表第一篇科研論文（上海交大的畢業(yè)論文）算起，葉軍至今發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊的文章有420篇。今年，他的實(shí)驗(yàn)室發(fā)表和已經(jīng)提交的學(xué)術(shù)論文，已經(jīng)有18篇，有多篇發(fā)表于一流期刊，包括《科學(xué)》（Science），《自然》（Nature），等等。在谷歌學(xué)術(shù)上[6]，他的名字出現(xiàn)在了984篇論文、綜述、教材和學(xué)術(shù)會(huì)議摘要中，有的引用次數(shù)達(dá)到2138次，那是他與物理學(xué)家金秀蘭在2008年發(fā)表的一項(xiàng)合作研究，首次得到了處于量子極限的超冷極性分子氣體[7]。這些文章，見(jiàn)證了他在科學(xué)世界的冒險(xiǎn)與探索，記錄了他和同事在原子、分子和光學(xué)世界的發(fā)現(xiàn)，多次精細(xì)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析與討論，推進(jìn)物理前沿的總結(jié)和思考。從交流思想的角度來(lái)說(shuō)，葉軍也是一位作者（writer）。在和我們的交流中，葉軍也提到了科研與文學(xué)創(chuàng)作也有相通之處：時(shí)間的投入。2004年，37歲的他接受《科學(xué)時(shí)報(bào)》采訪時(shí)表示，30多歲和40多歲是一個(gè)人做研究的最好階段，也是事業(yè)起步的階段。他說(shuō)，國(guó)家應(yīng)該讓真正出類拔萃的人有20年時(shí)間專心做研究，因?yàn)橐粋€(gè)人的精力有限，如果做行政工作，就不可能集中精力做研究。[8]“20年可能還不夠，哈哈！我已經(jīng)做了20年多了?！碑?dāng)我們找出這段采訪時(shí)，55歲的葉軍脫口而出。葉軍非?？隙ǖ卣f(shuō)，直到今天，他的這個(gè)觀點(diǎn)也沒(méi)有變。“你要真正做出優(yōu)秀的工作的話，我想這是不可能變的?！?/span>“有很多人做到一半了以后，覺(jué)得可以去做行政工作，或者做管理的事情。每個(gè)人的興趣不一樣，但是我覺(jué)得做什么事情，就像你要寫(xiě)大部頭的小說(shuō)，也一樣的道理——你要花很長(zhǎng)的時(shí)間，完全投入進(jìn)去，然后去寫(xiě)。我覺(jué)得沒(méi)有什么區(qū)別，實(shí)際上做任何行業(yè)都是一樣的。”
1989年，從上海交通大學(xué)畢業(yè)以后，葉軍前往美國(guó)新墨西哥大學(xué)學(xué)習(xí)。兩年后，他進(jìn)入科羅拉多大學(xué)攻讀博士學(xué)位，跟隨JILA研究員約翰·霍爾（John L. Hall）做研究。
1934年出生的約翰·霍爾，從1960年代激光剛被發(fā)明時(shí)就開(kāi)始研究激光技術(shù)，是激光穩(wěn)頻領(lǐng)域的鼻祖人物。美國(guó)最初探測(cè)引力波的技術(shù)，一開(kāi)始就是霍爾提供的。葉軍與霍爾關(guān)系的特別之處在于，他不僅是霍爾的關(guān)門(mén)弟子——霍爾招收的最后一位博士研究生，還在1999年重新回到JILA，接管了霍爾的實(shí)驗(yàn)室，并和霍爾保持了良好的合作關(guān)系?；魻栐?004年11月正式退休后，還會(huì)經(jīng)常去葉軍的實(shí)驗(yàn)室焊電路板，和學(xué)生一起吃飯、交流。這位思維敏捷的物理學(xué)家說(shuō)，霍爾是自己到美國(guó)之后對(duì)他影響最大的人。“他教我學(xué)了書(shū)本的知識(shí)是不夠的，什么東西你都可以用自己的雙手比人家做得更好，只要你想得深——這是他教我最重要的一點(diǎn)?！?/span>
“我和他一起做實(shí)驗(yàn)，他總是會(huì)講你去買一個(gè)儀器來(lái)，它做的信噪比不太好，我要把它提高一下。所以你想那時(shí)候作為一個(gè)學(xué)生，你能夠從公司里面買一個(gè)儀器回來(lái)，你就覺(jué)得他們肯定是做的最好的，對(duì)吧？但是當(dāng)Jan（朋友們稱呼霍爾為Jan）告訴我，我可以自己來(lái)做，而且做得比公司買來(lái)的更好。這對(duì)我來(lái)說(shuō)是很震動(dòng)的?！比~軍回憶道。
博士研究生期間的葉軍在霍爾實(shí)驗(yàn)室。圖片由受訪者提供。在霍爾實(shí)驗(yàn)室期間，葉軍主要研究熱分子光譜，也就是分析室溫條件下分子的精細(xì)光譜，了解分子內(nèi)部的作用。他和霍爾合作開(kāi)發(fā)出了一種儀器，可以測(cè)量不同的分子吸收光的波長(zhǎng)。隨后，他們又建造了一種儀器，用來(lái)測(cè)量激光的光頻率敏感性。在此過(guò)程中，葉軍逐漸體會(huì)到了作為實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，發(fā)明新儀器、搭建實(shí)驗(yàn)的力量。“你學(xué)了很多書(shū)本的知識(shí)，但是如果沒(méi)有用雙手把一個(gè)儀器建立起來(lái)，用它去測(cè)量大自然的現(xiàn)象，總覺(jué)得很遺憾。如果你能夠用自己的雙手建造一個(gè)儀器，能夠做比人家更靈敏的測(cè)量?jī)x，這會(huì)讓你覺(jué)得empowering yourself?！?/span>
如果說(shuō)霍爾對(duì)于動(dòng)手的執(zhí)著給了葉軍極大的震動(dòng)，同樣的，葉軍的勇氣和學(xué)習(xí)速度也讓霍爾印象深刻。霍爾還記得他和葉軍認(rèn)識(shí)的情景。那大約是在1991年，美國(guó)猶他州一個(gè)滑雪度假村的學(xué)術(shù)會(huì)議上。會(huì)議有一個(gè)激光穩(wěn)頻和精密測(cè)量的專場(chǎng)。那天下午，許多參會(huì)者都去滑雪了，霍爾的報(bào)告還是吸引了不少人。“有一個(gè)年輕人走上前來(lái)，說(shuō)：‘噢，這東西真酷。我要和你一起研究這個(gè)?！?/span>2007年，霍爾在一個(gè)口述史的訪談中回憶說(shuō)。[9]1991年，在美國(guó)猶他州的一個(gè)學(xué)術(shù)會(huì)議上，葉軍遇到了未來(lái)的博士導(dǎo)師、合作伙伴Jan Hall。圖片由受訪者提供。
這位年輕人正是葉軍。他自我介紹正在新墨西哥大學(xué)學(xué)習(xí)，研究二極管激光，對(duì)霍爾報(bào)告的內(nèi)容很感興趣。他說(shuō)，他已經(jīng)通過(guò)了新墨西哥大學(xué)的博士生資格考試，但是他的論文導(dǎo)師要回愛(ài)爾蘭了。霍爾建議葉軍留在新墨西哥大學(xué)跟隨其他教授完成學(xué)業(yè)，等博士畢業(yè)后再跟他做博士后。令霍爾驚訝的是，葉軍直接申請(qǐng)了科羅拉多大學(xué)的博士研究生，并被獎(jiǎng)學(xué)金委員會(huì)評(píng)為最優(yōu)秀的候選人之一。“他來(lái)了這里，加入了我的實(shí)驗(yàn)室。所以我告訴他，他真的是一個(gè)富有冒險(xiǎn)精神的年輕人?！?/span>
當(dāng)時(shí)，對(duì)于從發(fā)展中國(guó)家來(lái)的葉軍，霍爾擔(dān)憂他技術(shù)基礎(chǔ)薄弱。他把一套電子學(xué)的書(shū)借給葉軍看，并告訴他周六和周日不需要為JILA做研究，但是他可以嘗試點(diǎn)別的東西，比如JILA的車間有相當(dāng)不錯(cuò)的運(yùn)算放大器、數(shù)字電路、電阻等材料。“他會(huì)從書(shū)中閱讀，然后在某個(gè)時(shí)候，他會(huì)想，‘哦，這很酷。我想試試。它是如何工作的？’然后，他會(huì)搭建電路嘗試?！?/span>霍爾說(shuō)，短短幾個(gè)月之后，葉軍就這樣成為了電子學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)人士?！皩?duì)我來(lái)說(shuō)，這真是太神奇了，因?yàn)楫?dāng)我們討論一些電子學(xué)問(wèn)題時(shí)，他會(huì)說(shuō)：“你知道，我已經(jīng)試過(guò)了，你說(shuō)的并不適用，原因如下?！?/span>而且，霍爾說(shuō)，葉軍和自己的交流直接開(kāi)放，完全不會(huì)因?yàn)樽约菏菍?dǎo)師的關(guān)系而讓自己占上風(fēng)。這個(gè)年輕人會(huì)很自在地說(shuō)：“你知道，那不對(duì)，我已經(jīng)試過(guò)了，它的工作方式完全不同?！?/span>在科羅拉多大學(xué)的要求之下，葉軍重新參加了博士資格生考試，因?yàn)樗麄冋J(rèn)為，新墨西哥大學(xué)對(duì)博士研究生的訓(xùn)練可能達(dá)不到他們的標(biāo)準(zhǔn)?！八趨⒓涌荚嚨乃腥酥信琶诙@是口試部分。這或許可以理解，因?yàn)樗艁?lái)這里一年左右。而且英語(yǔ)不是他的母語(yǔ)。而在筆試部分，當(dāng)然他是第一名?！被魻柣貞浀?。后來(lái)作為霍爾的合作者，葉軍對(duì)諾獎(jiǎng)工作光學(xué)頻率梳的發(fā)明與發(fā)展，做出了非常重要的貢獻(xiàn)，這也讓他在獨(dú)立研究早期就聲名遠(yuǎn)揚(yáng)。2005年，時(shí)年71歲的霍爾與德國(guó)馬普量子光學(xué)所（MPQ）的奧多爾·亨施（Theodor W. H?nsch）因?yàn)樗麄儭皩?duì)包括光學(xué)頻率梳在內(nèi)的激光精密光譜技術(shù)發(fā)展作出的貢獻(xiàn)”共同分享了一半的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。[10]光學(xué)頻率梳是一種特別的激光器。它能夠輸出一系列頻率均勻分布的激光，這些激光的頻率間隔是如此均勻而精確，就像一把擁有精密刻度的尺子一樣，可以用來(lái)丈量光的頻率。1978年，還是斯坦福大學(xué)的助理教授、德國(guó)科學(xué)家?jiàn)W多爾·亨施首次提出將光學(xué)頻率梳的概念。2000年4月28日，霍爾與JILA的同事Steven Cundiff等人首次在一種特別的激光器上，也就是光學(xué)頻率梳上，得出了光學(xué)頻率與微波頻率的直接關(guān)系，并且成功測(cè)量出一種紅外線激光的精確波長(zhǎng)[11]。一個(gè)月后，霍爾與葉軍、亨施合作，利用光學(xué)頻率梳第一次直接測(cè)量了一種近紅外線激光的頻率[12]。這篇標(biāo)志著光學(xué)頻率梳可以用來(lái)直接測(cè)量光學(xué)頻率的論文，和葉軍在2001年與霍爾等其他同事合作的另一篇關(guān)于光學(xué)頻率測(cè)量研究的綜述[13]，被諾貝爾委員會(huì)收錄進(jìn)2005年諾獎(jiǎng)工作的介紹。當(dāng)然，葉軍和霍爾關(guān)于光學(xué)頻率梳的合作研究不只這兩篇文章。2005年12月，霍爾出席諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮，邀請(qǐng)葉軍全家一起前往斯德哥爾摩。2005年12月，葉軍受邀參加諾貝爾頒獎(jiǎng)典禮。從左至右為：葉軍、Jan Hall和Steven Cundiff。圖片由受訪者提供。
“我確信，如果沒(méi)有軍，事情進(jìn)展會(huì)慢得多?！被魻栐谏鲜隹谑鍪吩L談中表示。對(duì)于霍爾獲得諾獎(jiǎng)，葉軍表示，“這（光學(xué)頻率梳）是他的一輩子的心血。他是從1960年代開(kāi)始做激光穩(wěn)頻，做了很多年，真正做到世界一流的激光穩(wěn)頻工作，并為整個(gè)領(lǐng)域打下了技術(shù)基礎(chǔ)。最后光學(xué)頻率梳能夠很快出來(lái)，是因?yàn)槲覀冇昧撕芏郕an發(fā)明的技術(shù)?！?/span>
1997年，葉軍離開(kāi)洛基山腳下的科羅拉多大學(xué)，來(lái)到美國(guó)西海岸的加州理工學(xué)院，加入了杰夫·金布爾實(shí)驗(yàn)室做博士后研究。
金布爾是腔量子電動(dòng)力學(xué)(cavity-QED)領(lǐng)域最有影響力的先驅(qū)之一。在金布爾實(shí)驗(yàn)室，葉軍嘗試在高精細(xì)度的光腔中把原子一個(gè)個(gè)冷卻下來(lái)，等它們的運(yùn)動(dòng)速度降下來(lái)，再抓住一個(gè)原子，觀察它的量子態(tài)，也就是單原子的腔量子電動(dòng)力學(xué)。對(duì)于已經(jīng)做了五年熱分子（也就是室溫條件下的分子）的葉軍來(lái)說(shuō)，這一研究是全新的，也是迷人的。他從研究文獻(xiàn)入手，了解這個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)背景，并學(xué)習(xí)最新的研究工具。“非常有意思的是，我們有很多原子的時(shí)候，這些原子亂七八糟的，你控制到一個(gè)原子的時(shí)候，你就覺(jué)得很了不起。然后你把所有的原子都扔掉，就抓住一個(gè)原子，這個(gè)原子你可以做quantum state control，實(shí)現(xiàn)它的量子態(tài)操控，這就是我做博士后學(xué)到的東西。”葉軍說(shuō)。他意識(shí)到：既然我能夠抓一個(gè)原子，可不可以抓100個(gè)原子，抓1000個(gè)原子，然后把它們一個(gè)一個(gè)抓起來(lái)，互相之間進(jìn)行作用？“那就相當(dāng)于你做了一個(gè)network，并不是單個(gè)原子在那里工作，而是有很多的原子在那邊工作，這樣就可以提高你的信噪比，可以去做量子多體物理、量子計(jì)算機(jī)，或者做clock（時(shí)鐘）?！比~軍說(shuō)。時(shí)鐘，人類一個(gè)古老而日益精進(jìn)的發(fā)明。歷史上，人類使用過(guò)多種多樣的計(jì)時(shí)裝置來(lái)測(cè)量和指示時(shí)間的流逝。例如，根據(jù)太陽(yáng)的位置來(lái)指示一天時(shí)間的日晷。對(duì)于較短的時(shí)間間隔，17世紀(jì)單擺鐘的發(fā)明是一個(gè)里程碑，鐘擺利用地球的重力，以相同的振幅和頻率擺動(dòng)，計(jì)時(shí)變得精確起來(lái)。但到了大航海時(shí)代，拿一個(gè)單擺鐘上船，搖搖晃晃，單擺鐘很快就失效了。18世紀(jì)，英國(guó)的一個(gè)工匠約翰·海爾森（John Harrison），采用金屬發(fā)條和滾子軸承，發(fā)明了英國(guó)當(dāng)時(shí)最為精確的表，其中的一只幫助探險(xiǎn)家和航海家?guī)炜舜L(zhǎng)進(jìn)入太平洋，經(jīng)過(guò)熱帶和寒帶。再后來(lái)，半導(dǎo)體集成電路的發(fā)明，人類迎來(lái)了精確度更高的石英電子手表。但當(dāng)人們逐漸揭開(kāi)原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，一切都不一樣了。費(fèi)曼說(shuō)，宇宙萬(wàn)物由原子構(gòu)成。的確，原子在這個(gè)世界之基本，多到可能數(shù)都數(shù)不清。原子這個(gè)詞，源自希臘語(yǔ)“atoms”，指的就是“不可分割的微?！薄?/span>到20世紀(jì)初，人們發(fā)現(xiàn)原子內(nèi)部是有質(zhì)子和電子的，后來(lái)又發(fā)現(xiàn)了中子的存在。一個(gè)關(guān)于原子的模型就此構(gòu)建出來(lái)：帶正電荷的質(zhì)子、帶負(fù)電荷的電子和不帶電荷的中子，質(zhì)子和中子裝在原子核內(nèi)，電子在外面不同的軌道上運(yùn)動(dòng)。1930年代，美國(guó)科學(xué)家拉比（Isidor Isaac Rabi）等人發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)原子施加額外的電磁場(chǎng)，可以讓電子從低能級(jí)軌道跳到高能級(jí)態(tài)軌道，而當(dāng)電子從高能級(jí)軌道回到低能級(jí)軌道，就會(huì)釋放出電磁波。原子從高能量態(tài)到低能量態(tài)的這一過(guò)程，被稱為躍遷。原子躍遷具有規(guī)律性、周期性，均勻穩(wěn)定。1945年，拉比在一個(gè)報(bào)告中提議，使用特定原子的兩個(gè)能級(jí)作為頻率參考來(lái)建造原子鐘。[14]我們現(xiàn)在使用的時(shí)間基本單位“秒”的定義，就是基于銫原子的躍遷頻率。1967年，第13屆計(jì)量大會(huì)將一秒定義為“銫-133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷所對(duì)應(yīng)輻射的9 192 631 770 個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間”。1999年，65歲的霍爾教授準(zhǔn)備從JILA退休，JILA就需要再招一位研究員來(lái)接替他。他們想到了葉軍，向他發(fā)出邀請(qǐng)。時(shí)年31歲的葉軍對(duì)斯坦福大學(xué)、哈佛大學(xué)和麻省理工學(xué)院也感興趣，但他最終決定回到JILA。“我從加州理工學(xué)院回來(lái)的時(shí)候，就在想做光學(xué)鐘，如果要做原子鐘的話，我不應(yīng)該只用一個(gè)原子，而用很多的原子?！比~軍說(shuō)。原子是中性的，不帶電荷，不會(huì)像離子（帶電的原子）一樣容易發(fā)生電荷之間的相互作用。雖然一個(gè)原子躍遷釋放出來(lái)的信號(hào)很微弱，但如果把同類原子的數(shù)量放大一千倍，一萬(wàn)倍，甚至百萬(wàn)倍，它們共振的信號(hào)就變得很強(qiáng)了。正如前面所說(shuō)，我們當(dāng)前使用的秒的定義，是基于銫原子鐘的原子共振頻率，但這一頻率是在微波波段，而葉軍所做的光學(xué)鐘，利用激光來(lái)激發(fā)原子的躍遷，這些原子共振的頻率在光學(xué)波段，比微波頻率高好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此也被稱為光學(xué)原子鐘。光的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了可見(jiàn)光譜的范圍。從藍(lán)色可見(jiàn)光的一端向不可見(jiàn)光區(qū)域擴(kuò)展，會(huì)依次經(jīng)過(guò)紫外線、遠(yuǎn)紫外線譜區(qū)，接著延伸至X射線、γ射線譜區(qū)。從紅色可見(jiàn)光的一端向反方向擴(kuò)展，則會(huì)依次經(jīng)過(guò)紅外線、微波、無(wú)線電波譜區(qū)。在光的波譜上，隨著波長(zhǎng)越來(lái)越短，光的擺動(dòng)頻率可以變得非常非?？?，到了紅外線的區(qū)間，每秒可以振蕩10-14次以上。這已經(jīng)超出了當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的微波計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍。
圖源：Ufoismey3k, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
確定了研究的方向，下一步應(yīng)該怎么走?
如同做原子鐘，做光學(xué)原子鐘，需要至少三個(gè)核心要素：一個(gè)是鐘擺，即某類原子的躍遷頻率，二是持續(xù)激發(fā)原子躍遷的合適激光，三是原子躍遷釋放出的光信號(hào)的頻率計(jì)數(shù)器。
這三個(gè)要素的挑戰(zhàn)各不相同。我們先來(lái)講一下要素三：如何測(cè)量光的頻率。
“光的頻率比（當(dāng)時(shí)）所有的電子設(shè)備都要快很多，在90年代末的時(shí)候，要去測(cè)量光學(xué)的頻率是非常困難的。那個(gè)時(shí)候要做光學(xué)鐘，第一個(gè)問(wèn)題要解決的就是怎么樣發(fā)明一個(gè)儀器來(lái)測(cè)量光學(xué)的頻率?！比~軍說(shuō)。
因此，在JILA的前五年，葉軍工作的一個(gè)重心，就是與霍爾一起解決光頻計(jì)數(shù)的問(wèn)題，解決方案就是光學(xué)頻率梳，幫助將光學(xué)頻率轉(zhuǎn)化為使用現(xiàn)有的普通電子器件就可以計(jì)數(shù)的微波射頻信號(hào)。這期間，在JILA訪問(wèn)的上海華東師范大學(xué)的馬龍生教授也一起做出了突出的貢獻(xiàn)。
從左至右為馬龍生、Jan Hall、葉軍。圖源：https://nanohub.org/resources/6058/download/2008.10.09-hall-nsu.pdf“在光梳（光學(xué)頻率梳的簡(jiǎn)稱）被發(fā)明以前，沒(méi)有人給你光梳用，這就需要你自己把它做出來(lái)以后去控制它，去測(cè)量它，去調(diào)試它，然后用它來(lái)作為一個(gè)測(cè)量工具。這個(gè)測(cè)量工具到底做到什么樣的程度，這都是我們一篇文章一篇文章發(fā)表，來(lái)告訴世界，這個(gè)光梳到底要做得多么好?！?/span>
這個(gè)技術(shù)是如此基礎(chǔ)，成為很多實(shí)驗(yàn)室的常規(guī)技術(shù)。此后，無(wú)論人們是通過(guò)離子還是中性原子，甚至是冷分子來(lái)做光鐘，都需要用到光學(xué)頻率梳。至于光學(xué)原子鐘的鐘擺，葉軍選擇了鍶原子。這是他最喜歡的原子，位于元素周期表第二列的一種元素，在最外殼層有兩個(gè)電子，它們可以在兩個(gè)電子軌道之間跳躍。鍶原子的一個(gè)獨(dú)特之處在于，它停留在激發(fā)態(tài)的時(shí)間非常長(zhǎng)，躍遷的線寬又很窄，方便進(jìn)行精確的頻率測(cè)量。葉軍對(duì)于室溫下的原子非常了解，它們亂七八糟，到處亂飛。要做原子鐘，首先要降溫，讓它們的運(yùn)動(dòng)停下來(lái)。實(shí)驗(yàn)室常用的原子冷卻法，就是激光冷卻法。1980年代末到1990年代初，美籍華裔科學(xué)家朱棣文和其他科學(xué)家一起發(fā)明了這種冷卻原子的方法。具體來(lái)說(shuō)，先把原子放在真空環(huán)境里，與外部的空氣隔絕開(kāi)，向原子迎面發(fā)射一束精確調(diào)諧的激光，原子吸收了激光的能量之后，運(yùn)動(dòng)就會(huì)很快減慢。接著，就要通過(guò)光學(xué)陷阱捕獲這些原子，這樣才能長(zhǎng)時(shí)間地去觀察它們，來(lái)實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量。問(wèn)題在于，在冷卻和捕獲原子的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生由光造成的原子能級(jí)移動(dòng)效應(yīng)，對(duì)原子的躍遷頻率產(chǎn)生影響。如何在捕獲這些原子的同時(shí)，并且激發(fā)原子躍遷，并讓每個(gè)原子躍遷的頻率保持穩(wěn)定呢？1999年年底，葉軍和導(dǎo)師金布爾在加州理工的工作發(fā)表。通過(guò)光學(xué)的手段捕獲原子并進(jìn)行量子操控，他們發(fā)現(xiàn)，需要找到一個(gè)特定波長(zhǎng)的激光用來(lái)捕獲原子，來(lái)保持原子的兩個(gè)量子態(tài)，也就是原子躍遷的穩(wěn)定。毫無(wú)疑問(wèn)，要做光學(xué)原子鐘，找到這個(gè)特定的激光波長(zhǎng)很關(guān)鍵。2000年6月23日，致力于各種原子結(jié)構(gòu)計(jì)算的JILA理論物理學(xué)家Chris Greene發(fā)郵件給葉軍：經(jīng)過(guò)計(jì)算，他找到了這樣的一個(gè)魔術(shù)波長(zhǎng)，可以做到在囚禁原子時(shí)做到原子躍遷的頻率穩(wěn)定。[15]在實(shí)驗(yàn)中，這種特定波長(zhǎng)的激光，被稱為“魔術(shù)波長(zhǎng)”（magic wavelength），后來(lái)被用到了囚禁原子的光晶格之中，來(lái)避免影響原子躍遷的頻率。差不多在同時(shí)，2001年9月，日本東京大學(xué)的香取秀俊（Hidetoshi Katori）提出了構(gòu)建光晶格原子鐘的概念，可以將原子限制在一個(gè)個(gè)光學(xué)構(gòu)建的晶格中，并激發(fā)它們的極窄躍遷。2003年，香取秀俊正式提出了“魔術(shù)波長(zhǎng)”的光晶格原子鐘。2005年5月，香取秀俊研究組率先實(shí)現(xiàn)世界上第一臺(tái)鍶原子（Sr87）光晶格鐘，并測(cè)量鐘的絕對(duì)躍遷頻率[16]。2006年1月，葉軍帶領(lǐng)的研究小組也報(bào)告實(shí)現(xiàn)了鍶原子光晶格鐘[17]。到了9月，法國(guó)巴黎天文臺(tái)的實(shí)驗(yàn)組也報(bào)告實(shí)現(xiàn)了鍶原子的光晶格鐘[18]。此后，更多的研究組加入到了光學(xué)晶格鐘的競(jìng)爭(zhēng)之中，光學(xué)晶格鐘的性能，包括準(zhǔn)確度（accuracy）和穩(wěn)定性（stability）的指標(biāo)，也在不斷提升。在這一競(jìng)爭(zhēng)中，葉軍的小組總是處于最前沿的位置。
2008年，葉軍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)建造出來(lái)的鍶原子光學(xué)晶格鐘，準(zhǔn)確度超過(guò)了當(dāng)時(shí)的銫原子鐘。圖為2008年葉軍在JILA。圖片由受訪者提供。
2008年，葉軍帶領(lǐng)的研究小組測(cè)出最新的鍶原子光晶格鐘的絕對(duì)躍遷頻率，并將系統(tǒng)不確定度減小至1.5×10-16，這意味著它的準(zhǔn)確度超越了當(dāng)時(shí)準(zhǔn)確度最高的銫原子鐘[19]。葉軍對(duì)這一研究至今印象深刻。“那個(gè)時(shí)候，我們都知道一個(gè)原子的quantum coherence（量子相干）時(shí)長(zhǎng)可以達(dá)到幾十秒，但怎么樣在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)它，仍然覺(jué)得不可思議，因?yàn)樵涌偸窃谀抢镒邅?lái)走去，你要去看它的時(shí)候，總是看不準(zhǔn)，有多普勒效應(yīng)，有各種各樣不同的干擾。一直到2006年，我們的實(shí)驗(yàn)室才第一個(gè)把clock transition（鐘的躍遷），可以做到一個(gè)赫茲的線寬，赫茲是一個(gè)能量的單位，它的倒數(shù)是秒。長(zhǎng)時(shí)間地保持量子相干性很重要，相當(dāng)于一個(gè)原子鐘的單擺在那里擺，一秒鐘可以擺10的15次方次，而且單擺擺了10的15次方次以后，我還知道這個(gè)單擺在什么位置，它在左邊還在右邊，這對(duì)時(shí)鐘精度的提高是起到了關(guān)鍵的作用?！?/span>到了2014年2月，葉軍小組通過(guò)同時(shí)控制1000多個(gè)原子的量子態(tài)，將鍶原子光晶格鐘的系統(tǒng)不穩(wěn)定性降低至6.4×10-18，成為性能最好的原子鐘。[20]2018年，葉軍帶領(lǐng)的小組創(chuàng)下光學(xué)原子鐘的最新記錄，他們報(bào)告了將約1萬(wàn)個(gè)鍶原子放在3維光晶格中，實(shí)現(xiàn)光原子鐘的相對(duì)精度達(dá)到2.5×10-19，這個(gè)誤差相當(dāng)于宇宙年齡誤差100毫秒。[21,22]憑著對(duì)光學(xué)晶格鐘的發(fā)明和發(fā)展做出的開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)，葉軍和香取秀俊一起先后獲得2020年度的墨子量子獎(jiǎng)，以及2022年的科學(xué)突破獎(jiǎng)基礎(chǔ)物理學(xué)獎(jiǎng)。
如今，葉軍的實(shí)驗(yàn)室還在繼續(xù)推進(jìn)測(cè)量時(shí)間的精度。他告訴我們，在取得世界最高的測(cè)量精度以后，他和同事最近一直在努力進(jìn)一步提高測(cè)量時(shí)間的準(zhǔn)確度。從應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，時(shí)間的精度越高，越準(zhǔn)確，我們的衛(wèi)星定位和導(dǎo)航系統(tǒng)也就越精準(zhǔn)，這是因?yàn)閷?dǎo)航系統(tǒng)從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是一個(gè)時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)。葉軍和同事們測(cè)量時(shí)間達(dá)到的精度，顯然已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了我們的想象，超出了當(dāng)前的實(shí)際應(yīng)用。那么，為什么還要繼續(xù)測(cè)量時(shí)間呢？“我現(xiàn)在研究的課題，就是把很多的原子放在一起，研究它作為一個(gè)量子多體物理的現(xiàn)象。鐘不光是看時(shí)間的，還用它來(lái)研究frontiers of quantum science（量子科學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)前沿），這是相輔相成的。”葉軍說(shuō)。原子鐘每一次精度的提升背后，都意味著某項(xiàng)技術(shù)的改進(jìn)，或者某些影響原子鐘準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的量子物理問(wèn)題得到了理解和最終的解決。例如，葉軍小組在2014年的結(jié)果的提升，就是因?yàn)樗麄儨?zhǔn)確測(cè)量原子的環(huán)境溫度，大大降低了溫度帶來(lái)的黑體輻射頻移的測(cè)量不準(zhǔn)確度。[23]葉軍他們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于原子鐘來(lái)說(shuō)，雖然單個(gè)原子被囚禁在光晶格時(shí)非常安靜，但當(dāng)原子的數(shù)量增加到幾千、幾萬(wàn)時(shí)，原子之間仍然有微弱的相互作用。2018年的測(cè)量結(jié)果提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)，是因?yàn)槿~軍他們找到了一種特殊的方法，使得多個(gè)原子合并在一起，然后變成絕緣相來(lái)避開(kāi)彼此，這樣原子之間的相互作用得到了極大的抑制，進(jìn)而避免了與原子密度相關(guān)的頻移。“quantum particle（量子粒子）放的越多，時(shí)間做的越準(zhǔn)，但是時(shí)間做的越準(zhǔn)了以后，你就會(huì)去看這些quantum particle都在互相作用，會(huì)不會(huì)讓時(shí)間變得不準(zhǔn)。所以，我覺(jué)得這是一個(gè)好像永無(wú)止境的科學(xué)的探索?！?/span>“從這點(diǎn)來(lái)講，AMO physics（原子、分子和光學(xué)物理）很有意思，從一開(kāi)始很多原子random的運(yùn)動(dòng)，到后來(lái)發(fā)明激光把原子冷卻了以后，然后選出一個(gè)原子來(lái)進(jìn)行量子態(tài)的操控，接下來(lái)又把原子一個(gè)個(gè)的聯(lián)合起來(lái)。你可以看到這個(gè)原子的研究從無(wú)序到有序，再將很多原子簡(jiǎn)化到一個(gè)的過(guò)程，現(xiàn)在我們又重新回到很多原子，但已經(jīng)有了本質(zhì)上的區(qū)別，以前是random（隨機(jī)）的，現(xiàn)在是everything is under control（一切盡在掌握）。”葉軍說(shuō)。更加精確的光學(xué)原子鐘，除了量子物理本身的探索，還可以從微觀層面觀察量子力學(xué)和引力理論之間的聯(lián)系，用來(lái)幫助尋找遠(yuǎn)方的引力波，探測(cè)神秘的暗物質(zhì)。“如果你沒(méi)有好的顯微鏡，那塊玻璃看起來(lái)很平滑。有了顯微鏡，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這塊玻璃實(shí)際上有很毛躁的東西在上面。你看得越深，你就越會(huì)知道微觀層面what’s going on。”葉軍解釋說(shuō)。去年2月，他的研究小組提出了如何使原子鐘比之前精確50倍的方法，在毫米尺度驗(yàn)證愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論[24]。他們發(fā)現(xiàn)，即使在1毫米的高度差上，一個(gè)原子團(tuán)的兩個(gè)區(qū)域的時(shí)間相差大約一千億億分之一，也就是大約3000億年只相差1秒，這與廣義相對(duì)論預(yù)言一致。這是人類第一次在如此微小的尺度驗(yàn)證愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，論文登上了《自然》封面。“愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)測(cè)引力redshift（紅移），就是鐘在地球表面上不同的高度，是有不同的時(shí)間的，現(xiàn)在我們可以很準(zhǔn)，在頭發(fā)絲一樣的高度差異上都可以測(cè)出來(lái)時(shí)間的不同。這在以前是不可以想象的?！比~軍說(shuō)。今天，統(tǒng)治整個(gè)物理學(xué)界的兩大理論，一個(gè)是愛(ài)因斯坦的引力理論，另一個(gè)是量子力學(xué)。但是，在微觀層面顯示出作用的量子理論，和宏觀的引力理論之間的關(guān)系是什么樣的，現(xiàn)在還沒(méi)有人知道。“在量子力學(xué)里面，我們都講到有一個(gè)波函數(shù)，這個(gè)波函數(shù)表明這個(gè)粒子在什么地方你是不確定的。而引力理論認(rèn)為，它在不同地方的時(shí)間是不一樣的，這就有一個(gè)conflict between quantum physics and gravitational physics。這個(gè)矛盾到現(xiàn)在為止沒(méi)有實(shí)驗(yàn)的手段去檢驗(yàn)。如果我們把時(shí)間測(cè)量做得很準(zhǔn)，就可以嘗試著去看看量子力學(xué)和引力之間的關(guān)系，這個(gè)是愛(ài)因斯坦一輩子都沒(méi)有解決的問(wèn)題。”葉軍解釋說(shuō)。那么，是否存在一種特別的量子引力，可以將量子力學(xué)和引力理論連接起來(lái)呢？葉軍表示，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在還缺少足夠精確的時(shí)間測(cè)量，“量子引力是目前的實(shí)驗(yàn)做不到的，gravity（引力）實(shí)在太弱了，你要去做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，只能夠到黑洞附近去做?！?/span>對(duì)于測(cè)量時(shí)間，一個(gè)很自然的疑問(wèn)是：測(cè)量時(shí)間的精度有極限嗎？“如果你說(shuō)時(shí)間測(cè)量做的越準(zhǔn)，下一個(gè)測(cè)量的limit在什么地方，我可以說(shuō)我現(xiàn)在看不到limit。從量子力學(xué)來(lái)講，任何的問(wèn)題，我們碰到覺(jué)得是一個(gè)limit，到最后都變成了一個(gè)物理問(wèn)題，我們可以把它解釋掉?！?/span>
他表示，幾年以前，人們很難想象將光學(xué)原子鐘的精度做到10-19?！艾F(xiàn)在我可以做到10-19，看到很多新的現(xiàn)象，比如兩個(gè)原子放在一起，它即使不碰撞，也會(huì)互相進(jìn)行感應(yīng)作用，這些我可以測(cè)出來(lái)了，我既然能測(cè)出來(lái)就能控制它，那就不成為一個(gè)limit?！?/span>“其實(shí)所謂的極限，是我們認(rèn)識(shí)的極限。如果你往前面走，往深度去，還有很多東西我們現(xiàn)在不知道。比方說(shuō)，為什么我們存在宇宙里面，照理來(lái)說(shuō)我們不應(yīng)該存在，因?yàn)橛钪娲蟊óa(chǎn)生，應(yīng)該有反物質(zhì)和正物質(zhì)，全部物質(zhì)放在一起，它就會(huì)湮滅掉?？墒俏覀兌歼€存在，為什么呢？不知道?！?/span>
“接下來(lái)limit在什么地方呢？說(shuō)不定limit是，我們這個(gè)宇宙并不是一個(gè)靜止的宇宙?！比~軍說(shuō)。他描繪了這樣的一個(gè)情景：宇宙就好像是一個(gè)交響樂(lè)團(tuán)，大爆炸一直在發(fā)生，里面有許許多多的黑洞和恒星，有時(shí)候兩個(gè)恒星相互吸引，湮沒(méi)，然后產(chǎn)生了引力波。“如果時(shí)間的測(cè)量做得很準(zhǔn)以后，我們就可以一直會(huì)碰到這些引力波，這些引力波過(guò)來(lái)以后也會(huì)影響測(cè)量時(shí)間的時(shí)鐘的變化。說(shuō)不定我們的鐘做下去，100年、200年以后，你就會(huì)覺(jué)得整個(gè)宇宙就像一個(gè)海洋，充滿了引力波的海洋，宇宙大爆炸的引力波不斷回來(lái)，可以用我們的鐘聽(tīng)到。”
