| 諾貝爾物理學獎
★得主：Roy Glauber、John Hall、Theodor Hansch
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量子光學、雷射光譜量測技術 改變看世界的角度
今年的諾貝爾物理獎頒給光學領域的三位科學家。Roy Glauber在理論量子光學的重要貢獻得了這個獎項的二分之一，John Hall與Th eodor Hansch則因發展超精準之雷射光譜量測技術而分享其餘二分之一的獎項。這三位傑出的學者在對光之本質的了解與超精準量測的發展有極為關鍵的貢獻，其成果勢將影響我們對物質、空間和時間的觀念。
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我們對這個世界的認知多半透過光，但光的本質與行為迄今仍是發人深省的基本物理問題，例如燭光與讀寫光碟中的雷射，其主要差異為何？根據愛因斯坦震鑠古今的假設：光作真空中的速度是恆定的。若是如此，是否可利用光做為精準的量測工具，達成超越原子鐘的精準度？也就因為對這些問題提出影響深遠的解答與科技，讓上述三位科學家榮獲今年的諾貝爾獎。
量子光學的誕生
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| 諾貝爾物理學獎得(由左至右)韓許(Theodor
Hansch)、葛勞勃( Roy Glauber)、霍爾(John
Hall)。(美聯社、歐新社／本報資料照片)
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Roy Glauber的貢獻在於率先應用量子理論於光學現象，他發展了一套理論將電磁場量子化，將光視為一連串獨立自主的光子，但可能傳遞路徑則由波動理論預測，並於1963年發表相關的結果。他的理論可以完整解釋光子偵測的結果，並顯示R.
H.Brown和R. Twiss所發現的「光子聚集(bunching)」乃是熱輻射隨機性質表現的結果。這個理論與古典波動理論的差異如圖一所示，對強度極低的光所產生的干涉其分布當如圖一(b)所預測而非如圖一(a)之古典波動理論所述。
這個量子光學理論的一個基本特質，即為當光子被偵測後即被吸收且「消失」，並改變了原先的「光子場」(相對於古典理論的電磁場
)；當許多光子偵測器的結果相互比較時，便可測得相應的量子效應或量子態。證實這個理論的實驗已被成功完成，其結果完全符合Gla
uber理論的預測，並奠立了量子光學的基礎。我們對量子態的知識亦可付諸實際應用，例如通訊保密所需的密碼技術，即可藉由對光量子態的操縱，達成前所未有的效果。
基於雷射的精密光譜學
歷史的發展顯示，新的現象與發現往往來自量測精準度的改進，原子光譜則為一極佳的例子。原子光譜主要藉著對原子能階的量測，以研究原子相應的電子結構，藉著較高的解析度，我們得以洞察原子能階的精細結構乃至原子核的性質。
本年度另外一半的獎項頒給John L. Hall與Theodor
W. Hansch，以彰顯其在超精準雷射光譜的貢獻，特別在「光頻梳」的發展與應用上。超精準的量測是為解決下列之問題所發展而出的。
一米與一秒有多長？長度與時間的量度構成超精準雷射光譜的挑戰之一。國際度量衡學會自1889年起即負起定義各項度量標準的要務。一米原以鉑銥合金棒作為標準長度，這個標準長度棒目前保存於巴黎。1960年起，科學家逐漸放棄以標準長度棒定義長度之方式，並改以氪原子光譜中特殊波長的一定倍數為之。隨後銫原子光譜中特殊之震盪頻率亦被利用為計時的標準，並被稱之為原子鐘。
藉上述技術，光速可被相當精準的決定，而John
Hall則是少數利用高精度穩頻雷射量測光速的頂尖專家。然而，他所遭遇的一個基本困難即為長度標準的準確度不足。因此，自1983年起，光速的定義即改為299,792,458米/秒，並輔之以更精準的時間量測反過來定義一米的長度。然而量測在1015Hz的光頻仍是頗為困難的一個挑戰，因銫原子鐘的頻率僅為1010，約為光頻的十萬分之一，故必須使用一連串從微波到光波的換頻裝置以解決頻率標準的問題。與基於原子光譜的精密量測同時發展的，則是另以雷射作為光譜量測工具的快速進展。 |
