1989年诺贝尔物理学奖

1989年物理学奖，由三位物理学家分享，他们是美国的诺曼·拉姆齐（Norman F.Ramscy）（获得奖金的一半）、汉斯·德默尔特（Hans G.Dehmel）和德国的沃尔夫冈·保罗（Wolfgang Paul）（分享另一半奖金）。拉姆齐发明了分离振荡场方法及用之于氢微波激射器及其它原子钟。德默尔特和保罗发展了原子精确光谱学和开发离子陷阱技术。

诺曼·拉姆齐（Norman F.Ramscy，1915—2011），出生于美国华盛顿特区。母亲是德国移民，曾是大学数学教师，父亲是西点军校毕业生，当过美军军官。由于父亲工作没有固定地点，他小时候常随家周游世界，学习不按常规，基本上靠自学。

1919年，第一次世界大战刚刚结束，他父亲被派往法国任职，母亲带着小拉姆齐同父亲一起来到了法国巴黎。母亲喜爱艺术，来到巴黎这个艺术之都后，产生了一个念头：每个月带儿子参观两次卢浮宫，让儿子从小接受艺术的熏陶。但第一次参观卢浮宫，拉姆齐就让母亲大失所望，他对艺术不感兴趣，一件作品是只看两眼便催促母亲赶快走。后来母亲领他去科技博物馆，意外发现他对那里的展品十分感兴趣，甚至有些流连忘返。于是母亲改变了计划，决定每个月带儿子参观两次科技博物馆。

拉姆齐早年对科学的兴趣是通过阅读一篇关于原子的量子理论的文章而激发的。当时他并不认为物理可作为自己的职业。父母曾指望他步父亲的后尘去西点学军事，可是当时

他还太小，于是就申请了一项奖学金到堪萨斯大学哥伦比亚学院上学，专业是数学。由于他每年都获得竞赛优胜奖，在高年级时竟然得到了只有研究生才能从事的教学助理的职位。1935年拉姆齐从哥伦比亚大学毕业，由于兴趣转向，改为攻读物理学，他得到奖学金到英国剑桥大学卡文迪什实验室学习。卡文迪什实验室可谓群英荟萃，是20世纪前期物理革命的发祥地之一，先后有二十多人获得诺贝尔奖。在那里，拉姆齐第一次接触到分子束方法，为他日后的科学研究打下了坚实的基础。后来，拉姆齐又回到哥伦比亚大学跟随拉比做博士论文。拉比不仅在研究方面成果辉煌，而且在教书育人方面也卓有成就，在他的学生和学生的学生中，先后有十多人获得了诺贝尔奖，被称之为“拉比树”。后来，拉姆齐在这些人中，创造了三个记录：取得博士学位最快（只用了一年）、获得奖学金最多、荣获诺贝尔奖时的年龄最大（74岁）。

1947年，拉姆齐转到哈佛大学，在那里一直工作了40年。他建立了分子束实验室，以便精确地进行磁共振实验。当时遇到的主要困难是没有足够均匀的磁场，这促使他发明了分离振荡场方法。分离振荡场方法不但为铯原子钟的研制奠定了基础，还使他们有可能测量许多不同分子的分子特性和磁特性，其中包括核自旋、核磁矩和电四极矩，分子旋转磁矩、自旋-旋转相互作用、分子中电子的分布等等。

进入20世纪90年代，拉姆齐还在进行分子束和中子束的研究。他主持建设了哈佛大学的回旋加速器实验室，并用这台加速器进行质子-质子散射研究。

拉姆齐虽然基本上是一位实验物理学家，但他对理论也

十分喜爱，曾经建立核磁共振化学位移理论、分子核的相互作用的理论和负绝对温度下的热力学和统计物理学的理论。

拉姆齐于1986年从哈佛大学退休，但他仍活跃在物理学界，与各大学及中心实验室建立有广泛的联系。2011年，拉姆齐于麻省逝世，享年96岁。

汉斯·格奥尔格·德默尔特（Hans Georg Dehmelt，1922—2017），出生于德国的哥利兹（Gorlitz）。他父亲曾在柏林大学学习过法律，第一次世界大战中当过炮兵军官。1940年，德默尔特中学毕业后，应召入伍。1943年在柏林郊区当过高射炮兵。1943年—1944年出于军事需要，被送往布雷斯劳（Breslau）工业大学学习物理，后来又回到部队参加迫击炮团。1945年初被美军俘虏，次年释放后进入哥丁根大学学习。1948年及1950年分别获学士学位和博士学位。1950年—1952年在哥丁根大学读博士后。1955年到美国，1956年在西雅图华盛顿大学任教，1961年加入美国籍，1978年被选为美国科学院院士。

沃尔夫冈·保罗（Wolfgang Paul，1913—1993），出生于德国萨克森州洛仑兹基希（Lorenzkirch）的一个农村里。父亲曾是慕尼黑大学药物化学教授，所以保罗小时候受到良好教育，很熟悉化学实验室的工作。可惜其父在他15岁时去世。他厌烦中学偏重拉丁文和古希腊文的教学方式，决心成为物理学家。他接受父亲好友索末菲的建议，先从事精密机械工艺的学徒。1932年秋，进入慕尼黑工业大学学习。在学习过程中，丰富的表演实验激起了他对物理学的兴趣。两年后保罗转到柏林工业大学学习，在那里幸运地遇到了一位物

理学教授，对他像慈父一般关怀，这位教授致力于超精细光谱学和磁矩领域的研究工作，保罗和他一起工作了16年。另外还有一位理论物理学家贝克尔（Becker），对他也有深刻影响，不仅在科学方面，还在日常生活以及思想和政见方面。

1937年，保罗转到基尔（Kiel）大学读博士学位。论文题目选的是从超精细光谱测定钡的核矩，他利用原子光源以减小多普勒效应。正当要做实验时，他却被应征入伍，不久就爆发了第二次世界大战。所幸后来他请了假，完成了博士考试。1940年，保罗脱离军队，回到导师身边继续进行科学研究，从事的是质谱学和同位素分离。后来还与医学系的同事合作，做放射生物学和电子癌症治疗工作。

本年度获奖的三位物理学家，都在原子物理实验技术方面作出过杰出贡献，他们创造性地发展了精确的计量方法，大大改进了实验的技术条件，使许多以前无法进行的实验得以实现，并达到前所未有的精确程度。由于他们的工作，科学界有可能对一些基本物理定律进行更深入的检验，从而提高了人类认识物质世界的能力。

1950年，拉姆齐提出分离振荡场方法，解决了原子钟设计里的关键问题，研制了铯原子钟。1960年，他又提出并建造了原子氢微波激射器，也就是氢原子钟，使计时的不确定度下降到1×10-12。1951年，保罗设计了由六个磁极构成的聚焦磁场，可以使中性分子聚集，对分子束研究极为有用。后来他又设计了一种射频四极电场，能够把带电粒子囚禁在电场中，这一电场就相当于一个捕捉粒子的陷阱。这项工作成

为以后带电粒子存储技术的先驱。1958年，德默尔特开始研究用电磁场形成的陷阱把电子或其它带电粒子存储在隔绝状态的实验方法。他和合作者不断改进实验原理和实验装置，历经二、三十年，终于在20世纪80年代取得了重大成果。他设计的离子陷阱实验装置，可以把单个自由电子长期（几天或几周，甚至更长时间）存储在所谓的彭宁（Penning）陷阱里，让它作受迫运动，并不断从电子的运动提取有关电子特性的各种讯息。他的小组测到的电子g因子，比别的方法精确得多，达到了13位数字，是基本物理常数中最精确的一个。

值得一指的是，这三位杰出的物理学家，他们的工作都与原子束方法有渊源关系，都曾长期在这个领域作过许多工作，有所发现和发明。早在1949年，德默尔特就因受到核磁共振发现的激励，发现了核四极共振（简称NQR）。1940年，拉姆齐在导师拉比（I.I.Rabi）的指导下，第一个对分子的旋转磁矩进行过精确测量，并首次观测到这类磁矩随核的质量变化的关系。当时他还在做博士论文，就显示出了惊人的才干。后来他受聘留在哥伦比亚大学任教，并从事研究原子束共振。1947年转到哈佛大学，在那里他发明了铯原子钟。

说起铯原子钟的发明，还有一段引人深思的轶事。

早在1940年，拉比就预料到铯133的超精细结构有可能作为频率测量的基准。拉姆齐记得当时在拉比小组中就讨论过这个问题。他们打算用这一跃迁测引力红移（广义相对论认为，从巨大质量的星体表面经过的光线，会向光谱的红端移动），还一度建议美国国家标准局的有关专家研制原子束钟。

可是由于技术条件尚未成熟，这一建议只好束之高阁。第二次世界大战中，由于雷达的广泛应用，微波电子学有了长足发展，用感应法和吸收法相继发现了核磁共振，人们认识到，用原子钟来计时的日子已经不远了。

原子束实验装置素以结构复杂，设备庞大著称，因为它既需要加热，又需要抽高真空，还要有强大的射频场和特殊要求的磁场，使分子束或原子束发射、聚焦、选态、激发和检测。怎样才能简化这些设备呢？这是使物理学家们大伤脑筋的问题。特别是为了减小谱线宽度，还必须采取某些特殊的措施，这使事情更加复杂。根据理论分析，得知谱线宽度与振荡场区的长度成反比，这个振荡场区要求保持均匀的微波场和磁场。但是，射程长了，原子束的强度大减，而且难以保证磁场均匀，所以加大长度，谱线反而会增宽。

拉姆齐和大家一样，也在为这个问题作各种探讨。他当时正在哈佛大学上物理光学课。正当他百思不得其解之际，迈克尔逊的测星干涉仪的设计思想启发他找到了一个绝妙的方法。迈克尔逊的测星干涉仪是20世纪20年代初颇引人注目的一项工作，他在加州威尔逊山天文台的 100英寸（2.54 m）天文望远镜上加了两道反射镜，形成两翼，相距6m，利用两翼的光束互相干涉，用以测量星体的角直径，结果把望远镜的角分辨率增加了几十倍，从而第一次测出了星体的角直径，解决了过去用望远镜一直无法解决的问题。相距6m的反射镜相当于把望远镜的口径加大为6m，实际上即使做成这样庞大的望远镜，也可能无法保证干涉条纹的清晰度。后来，迈克尔逊的设计方案被人们写进了教科书，拉姆齐在教光学课时

当然会看到这些内容。

拉姆齐想，可不可以也用类似的办法来改造原子束的振荡场呢？经过推算，他证明在振荡场两端用两条狭窄的振荡区即可代替整个振荡场，只要两端的驱动微波同位相，整个场的不均匀性就不会影响共振曲线的宽度，反而可以使宽度缩窄40%。这一设计思想立即使铯原子钟的制造看到了成功的希望。1952年，第一台应用分离振荡场方法的铯原子钟在美国国家标准局问世，频率宽度比原来的方法小了10倍。接着，英国的国家物理实验所也于1955年得到了精确的结果，三年后他们发表的结果是：铯133原子基态两个超精细能级间跃迁辐射频率为9192.631770MHz，这一频率后来在1967年被第13届国际计量大会正式定义为时间的基准。

如果说铯原子钟为科学的发展提供了精确的计量标准，那么原子或离子陷阱技术就为探索微观粒子的特性开辟了一条新途径。原子（或离子）陷阱技术是根据爱因斯坦提出的原理实现的，即原子（或离子）向电磁辐射源运动时，能够吸收一定能量的光子而跃迁到较高能级，跳回到原来能级时又释放出光子。如果这个原子或离子是相对于电磁辐射源静止不动的，那么，两个光子的能量完全相等。如果这个原子或离子向电磁辐射源运动，则放出光子的能量比吸收光子的能量大。根据爱因斯坦的这一原理，两个光子能量之差只能从原子或离子运动能量的减少中得到补偿。这样一来，原子或离子的运动速度就会减慢。反复多次，原子或离子的运动能量就会耗尽，这样原子或离子就被捕捉到了。这种方法是保罗在20世纪50年代发明的，称为“保罗陷阱”。但是这个

方法有一个缺点，就是被捕捉到的原子或离子还会以某个频率振动，它仍然有一定的动能。德默尔特对其进行了改进，用一束光照射被捕捉的原子或离子，使它通过吸收或发射的过程再失去能量。这样，它就会静止在陷阱中。

陷阱的主体是三个电极组成的电场区，如图所示。中间是一双曲旋转面电极（称环电极），上下各有一罩电极，也呈双曲旋转面形。在环电极与罩电极间加10V 左右的直流电压，中间形成四极电场区。再在沿轴线方向加一均匀磁场，于是就形成一个可以囚禁电子的陷阱。再在下电极加一射频驱动电压，使电子作受迫轴向振荡。电子在磁场中还要作回旋加速器运动和磁控管运动，这些运动的频率可以经上电极的谐振电路检测，如图所示。

离子陷阱原理图（左）和谐振电路原理图（右）

电子被隔绝在电极和磁体所控制的陷阱里，都安置于地球上，与地球构成一个整体，就好像电子是被地球束缚住了一样。于是德默尔特最初给它起了一个代号叫地球素（geonium ），实际上就是地球原子的意思。陷阱的尺寸极其精巧，环电极的最小直径仅为0.325cm ，整套装置封在真空度达到10-12

Pa 的真空管内，插入超导线圈，并一起浸于液氦之中。超导线圈产生的磁场强达5T ，环境温度大约4K

。在这样

低的温度下，电子的状态只能用量子化的能级来描述。可以说，它是在最低的几个能级上跃迁，同时不断地改变自旋取向，能级跃迁和自旋反转都可经轴向感生电压的频率变化反映出来。

经过复杂的检测，可以从自旋运动的频率ν与回旋加速器频率νC之比求出电子的g因子。1984年，德梅尔特小组测量的结果是：（1/2）ge＝1.001159652193（4）。g因子是表征电子或其它微观粒子特性的重要参数，把这个参数测量得如此之精确，对认识物质世界规律有十分重要的意义。首先，可以通过量子电动力学计算精细结构常数α，根据1984年的测量结果，德默尔特小组计算得：α-1＝137.0359942（5）（89）。其中第一项误差来自实验，第二项误差来自理论计算，他们得到的α值比别的方法精确好几倍。其次，如果把从g因子计算出的α值跟其它方法得到的α值比较，就可以对量子电动力学理论进行检验。这个比较一直在进行，可以说，不同途径得到的α值高度符合，证明了量子电动力学的正确性。还有，比较不同的微观粒子的g因子，可以检验某些重要的物理规律。例如，1987年德默尔特小组测量出正电子的g因子为：（1/2）g（e+）＝1001159652187.9（4.3）×10-12。用同一方法测得负电子g因子为：（1/2）g（e-）＝1001159652188.4（4.3）×10-12。两者相比，得：g（e+）/ g （e-）＝1.0000000000005（60）。这不能说不是对CPT定理最严格的一次检验。

离子陷阱实验方法还可用于质子和重离子。经过补偿的彭宁陷阱可以当作高分辨率的质谱仪测量电子和质子的质量

比，其精确度超过以往的任何方法，1986年，德默尔特小组的成员戴克（R.S.Van Dyck）等人测得：m p/m e＝1836.152701 （37），不确定度仅为2×10-8。

用陷阱的方法研究微观粒子的特性具有重大的科学价值，多少年来，人们研究电子及其它粒子，对它们有了许多了解，但是过去做的许多实验，都无法排除电子之间和电子与外界之间的相互作用，因此人们对电子的知识都是统计性的。地球素实验第一次突破了这一局限，可以把电子和其它粒子单个存储在特定的区域里，长期与外界隔绝，这就为人们进一步探索微观粒子的基本性质提供了崭新的手段。作为这一方法的创始人和推动上述研究的带头人，德默尔特的贡献值得倍加推崇。