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不止是牛顿 苹果与光的故事

时间:2016-04-14

他看见一个苹果落下,想起了另一位最伟大的科学家艾萨克·牛顿曾让同样的事件结出硕果,即发现了万有引力的存在

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在因众多革新而熠熠生辉的1917年,阿尔伯特·爱因斯坦的一个天才想法使他成为20世纪最伟大的科学家,也是有史以来最伟大的两位科学家之一。

他看见一个苹果落下,想起了另一位最伟大的科学家——艾萨克·牛顿——曾让同样的事件“结出硕果”,即发现了万有引力的存在。也就是说,牛顿明白了是地球通过让苹果落下,将这个苹果拉向自己,同时也将月球拉向自己,令其在轨道上运行。

显然,爱因斯坦得出同样的结论是毫无意义的,因为牛顿已经捷足先登了。不过他却有了另一个同样惊人的发现,证明苹果实在是历史的一位出色主角。对此,夏娃、帕里斯、白雪公主和威廉·退尔,还有艾伦·图灵、甲壳虫乐队、史蒂夫·沃兹尼克和乔布斯的故事的讲述者早已知晓。

爱因斯坦的故事则是这样的:如果将一个苹果向上抛出,它会上升到一定高度又重新落回地面,就像一部厢式电梯。不过,假如在这一轨迹的最高点,苹果碰到了树枝,碰落了另一个苹果,则两个苹果会以相同的速度平行下落。当然,接触必须发生在苹果的上升速度刚好为零时,否则碰撞的力量会更大,那么两个苹果碰撞后的运动轨迹就如同两只台球了。

爱因斯坦知道,当一个光子从一个受激电子附近通过时,会发生相同的情况,受激电子会走向一条能量较低的轨道,并产生一个与该光子平行运行的相同光子,这种现象被称为光子的“受激发射”。这一观点一直只是一种猜测,直到1951年,一位名叫查尔斯·汤斯的年轻人发现,在绝对条件下,爱因斯坦所猜测的现象可能会连续发生。

也就是说,一个光子激发释放出另一个光子,然后它们又会去激发另外两个光子,以此类推,产生了“受激辐射的光放大”,英文缩写为“aser”。若被放大的是微波,那么获得的就是“maser”(微波激射器),汤斯于1954年生产了它;10年后,因为这一发现,他与在俄罗斯做同样研究的尼古拉·巴索夫和亚历山大·普罗霍洛夫一起赢得了诺贝尔物理学奖。

而若被放大的是光线,则会得到激光,即一束连续的光线,它与普通光线的区别好比行进中的有序军队与混乱的人群之差别。第一个制造出激光的还是汤斯,他与自己的学生,也是后来的连襟阿瑟·肖洛一起于1958年取得了成功。这一次,因为汤斯早已诺奖加身,1981年的诺贝尔物理学奖便颁给了肖洛与尼古拉斯·布隆伯根,以表彰他们将激光应用到光谱学中的成就。

我有幸在几年前林道召开的一次诺贝尔奖会议中遇见了汤斯。他向我讲述了他大学里的两位同事(伊西多·拉比和波利卡普·库施,均为诺奖得主)曾经如何试图说服他放弃自己的研究,因为在两人看来,这项研究不可能成功。他们认为汤斯只是在浪费系里的经费,而他们才能更好地利用这些钱!

但数月后,当汤斯正在授课时,他的助手气喘吁吁地冲进教室,大喊:“成功了,成功了!”那堂课中断了,好让教授和学生去参加第一道激微波的首映礼。很快微波激射器就在市场上大获成功,因为它比当时已有的扩大器强百倍。此后这一研究领域产生了十几位诺奖得主和无数的相关应用。

然而在技术层面以外,激光可能还保留了更多的惊喜,因为受激光线的释放与细菌分裂之间存在一种明显的相似性:例如前者的吸收对应着后者的死亡。谁知道另一个苹果,或许还是个烂了的,不会成为激励物理学与生物学之间某个新发现诞生的关键呢?

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