伽利略在17世紀(jì)初發(fā)明了天文望遠(yuǎn)鏡，首次觀測到土星周圍有一個環(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游去。葉軍說，建造原子鐘，猶如同時建造一個顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡。因為原子鐘的運行，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，便可以將整個地球變成一個靈敏的望遠(yuǎn)鏡，用來觀察宇宙。
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)任職于美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校、美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）以及二者共建的天體物理聯(lián)合實驗室（JILA）。
葉軍從1999年開始致力于建造光學(xué)原子鐘，不斷提高測量時間的精度，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，對一秒鐘的測量精度達到了10-19，也就是說在整個宇宙年齡的時間里，這個時鐘的誤差不會超過一秒。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證了愛因斯坦的廣義相對論。
“如果你可以創(chuàng)造一個新的儀器出來，把測量科學(xué)的前沿往前推幾步，去看人家從來沒有看到過的東西，能夠幫助人們看得更深一點，或者看得更遠(yuǎn)一點，（我）就覺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)國際會議的間隙，葉軍接受了“墨子沙龍”的專訪，回顧了自己的研究之旅，以及為何會花20多年來建造光學(xué)原子鐘。物理學(xué)家葉軍花了20多年的時間，來推動光學(xué)原子鐘的精度。在這一過程中，他做出了許多重要的發(fā)現(xiàn)，包括2022年在1毫米的尺度上驗證愛因斯坦的廣義相對論。圖片由受訪者提供。
葉軍1967年出生于浙江紹興的一個知識分子家庭[1]，父母都是大學(xué)畢業(yè)生，這在當(dāng)時并不常見。他的父親曾在海軍服役，在葉軍6歲時回到家鄉(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]。
在很長一段時間，葉軍大多數(shù)時候是和奶奶一起生活的。盡管奶奶并不識字，她在葉軍剛剛開始記事起就送給他一支鉛筆和一個筆記本作為禮物，以鼓勵他的學(xué)習(xí)。葉軍很早就愛上了閱讀和寫作。他喜歡明朝的三言二拍的古文小說，也喜歡雨果、莫泊桑、契訶夫的短篇小說，家里訂的《小說月報》，他每期必看。他也愛讀魯迅的雜文，尤其是對于人性入木三分的描寫。當(dāng)金庸的小說在20世紀(jì)80年代進入內(nèi)地，他很快成為了金庸迷，甚至在1984年去外地參加全國首屆高中物理競賽時，隨身攜帶的兩本書，其中一本就是金庸的《天龍八部》。語文老師費錫如欣賞葉軍的作文，常常鼓勵這個文筆出眾的男孩：葉軍，你要成為一個作家。與此同時，葉軍也喜歡解數(shù)學(xué)題，對物理實驗興趣濃厚。“我非常崇拜我的語文老師，一個復(fù)旦大學(xué)畢業(yè)的不折不扣的才子。在他的壓力下——但這個是非常好的壓力，他給了我很多的動力。我那時候就確實掙扎過一段時間，到底去做文學(xué)家還是去念理科?！比~軍告訴“墨子沙龍”。在那次物理競賽之后，葉軍覺得自己還是對物理更感興趣一些——他夢想著作為科學(xué)家，“可以算算東西”，“說不定做點有用的事情”。因為在物理競賽中的優(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)會了怎么去做光學(xué)實驗，學(xué)會了通過閱讀文獻對問題追根究底?！袄钲纠蠋熃塘宋以趺礃尤タ床煌奈墨I，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>那個時候沒有互聯(lián)網(wǎng)，要讀美國《物理快報》（Physical Review Letters）雜志的一篇文章，需要到學(xué)校圖書館復(fù)印?！皥D書館里面有一個復(fù)印機，5分錢印一張，我還記得很清楚，把復(fù)印機里面把4頁的稿子印出來2毛錢，然后拿回實驗室去讀，就像寶貝一樣。”盡管最后沒有從文，這位物理學(xué)家說，他覺得文學(xué)帶給一個人的影響是巨大的，包括對待新事物的態(tài)度，對人生的看法?；蛟S還有對友情的看法。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年在實驗室創(chuàng)造了第一個費米子凝聚態(tài)，這被認(rèn)為是物質(zhì)的第六種形態(tài)[3]。葉軍寫了一篇記念文章，追憶與金秀蘭之間的點滴[4]。他用五個由字母C開頭的單詞來形容金秀蘭：Caring（體貼）,Charming（優(yōu)雅）,Clarifying（直言）,Confident（自信）,Courageous（勇敢）。在闡釋自信時，他舉例說，曾經(jīng)有很多大學(xué)想聘請他，但他都沒有認(rèn)真想過這件事。終于有一所大學(xué)讓他動心了，因為那里有幾位他非常尊敬的同行。他就此到金秀蘭的辦公室征求她的意見。“昨天我接到這些同行的電話……”Debbie微笑著，露出了深深的酒窩：“軍，你喜歡和我一起工作，對不？”葉軍說：“是的……”“但是我不會去其他學(xué)校?！盌ebbie說。然后，事情就這么解決了。
“在整個癌癥治療過程中，我想Debbie一直認(rèn)為她會克服這個挑戰(zhàn)，就像她克服在物理實驗中的挑戰(zhàn)一樣。她只哭過一次，那是一月下旬，她告訴我自己患了癌癥，然后她試圖安慰開始哭泣的我?！?/span>
Debbie離開后，葉軍代替她來繼續(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。作為實驗物理學(xué)家，葉軍對人的觀察細(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（詩蓮）大約4歲時，杰夫來我們家吃晚飯。Selene從未見過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）。然而，Selene的拇指仍然可見，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，他的實驗室發(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)會議摘要中，有的引用次數(shù)達到2138次，那是他與物理學(xué)家金秀蘭在2008年發(fā)表的一項合作研究，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，見證了他在科學(xué)世界的冒險與探索，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)實驗的數(shù)據(jù)分析與討論，推進物理前沿的總結(jié)和思考。從交流思想的角度來說，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：時間的投入。2004年，37歲的他接受《科學(xué)時報》采訪時表示，30多歲和40多歲是一個人做研究的最好階段，也是事業(yè)起步的階段。他說，國家應(yīng)該讓真正出類拔萃的人有20年時間專心做研究，因為一個人的精力有限，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，55歲的葉軍脫口而出。葉軍非?？隙ǖ卣f，直到今天，他的這個觀點也沒有變。“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，覺得可以去做行政工作，或者做管理的事情。每個人的興趣不一樣，但是我覺得做什么事情，就像你要寫大部頭的小說，也一樣的道理——你要花很長的時間，完全投入進去，然后去寫。我覺得沒有什么區(qū)別，實際上做任何行業(yè)都是一樣的。”
1989年，從上海交通大學(xué)畢業(yè)以后，葉軍前往美國新墨西哥大學(xué)學(xué)習(xí)。兩年后，他進入科羅拉多大學(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)明時就開始研究激光技術(shù)，是激光穩(wěn)頻領(lǐng)域的鼻祖人物。美國最初探測引力波的技術(shù)，一開始就是霍爾提供的。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，接管了霍爾的實驗室，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，還會經(jīng)常去葉軍的實驗室焊電路板，和學(xué)生一起吃飯、交流。這位思維敏捷的物理學(xué)家說，霍爾是自己到美國之后對他影響最大的人。“他教我學(xué)了書本的知識是不夠的，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?！?/span>
“我和他一起做實驗，他總是會講你去買一個儀器來，它做的信噪比不太好，我要把它提高一下。所以你想那時候作為一個學(xué)生，你能夠從公司里面買一個儀器回來，你就覺得他們肯定是做的最好的，對吧？但是當(dāng)Jan（朋友們稱呼霍爾為Jan）告訴我，我可以自己來做，而且做得比公司買來的更好。這對我來說是很震動的?！比~軍回憶道。
博士研究生期間的葉軍在霍爾實驗室。圖片由受訪者提供。在霍爾實驗室期間，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。他和霍爾合作開發(fā)出了一種儀器，可以測量不同的分子吸收光的波長。隨后，他們又建造了一種儀器，用來測量激光的光頻率敏感性。在此過程中，葉軍逐漸體會到了作為實驗物理學(xué)家，發(fā)明新儀器、搭建實驗的力量。“你學(xué)了很多書本的知識，但是如果沒有用雙手把一個儀器建立起來，用它去測量大自然的現(xiàn)象，總覺得很遺憾。如果你能夠用自己的雙手建造一個儀器，能夠做比人家更靈敏的測量儀，這會讓你覺得empowering yourself?！?/span>
如果說霍爾對于動手的執(zhí)著給了葉軍極大的震動，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)識的情景。那大約是在1991年，美國猶他州一個滑雪度假村的學(xué)術(shù)會議上。會議有一個激光穩(wěn)頻和精密測量的專場。那天下午，許多參會者都去滑雪了，霍爾的報告還是吸引了不少人。“有一個年輕人走上前來，說：‘噢，這東西真酷。我要和你一起研究這個?！?/span>2007年，霍爾在一個口述史的訪談中回憶說。[9]1991年，在美國猶他州的一個學(xué)術(shù)會議上，葉軍遇到了未來的博士導(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，對霍爾報告的內(nèi)容很感興趣。他說，他已經(jīng)通過了新墨西哥大學(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，葉軍直接申請了科羅拉多大學(xué)的博士研究生，并被獎學(xué)金委員會評為最優(yōu)秀的候選人之一。“他來了這里，加入了我的實驗室。所以我告訴他，他真的是一個富有冒險精神的年輕人?！?/span>
當(dāng)時，對于從發(fā)展中國家來的葉軍，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，但是他可以嘗試點別的東西，比如JILA的車間有相當(dāng)不錯的運算放大器、數(shù)字電路、電阻等材料。“他會從書中閱讀，然后在某個時候，他會想，‘哦，這很酷。我想試試。它是如何工作的？’然后，他會搭建電路嘗試?！?/span>霍爾說，短短幾個月之后，葉軍就這樣成為了電子學(xué)領(lǐng)域的專業(yè)人士。“對我來說，這真是太神奇了，因為當(dāng)我們討論一些電子學(xué)問題時，他會說：“你知道，我已經(jīng)試過了，你說的并不適用，原因如下?！?/span>而且，霍爾說，葉軍和自己的交流直接開放，完全不會因為自己是導(dǎo)師的關(guān)系而讓自己占上風(fēng)。這個年輕人會很自在地說：“你知道，那不對，我已經(jīng)試過了，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，因為他們認(rèn)為，新墨西哥大學(xué)對博士研究生的訓(xùn)練可能達不到他們的標(biāo)準(zhǔn)?！八趨⒓涌荚嚨乃腥酥信琶诙?，這是口試部分。這或許可以理解，因為他才來這里一年左右。而且英語不是他的母語。而在筆試部分，當(dāng)然他是第一名。”霍爾回憶道。后來作為霍爾的合作者，葉軍對諾獎工作光學(xué)頻率梳的發(fā)明與發(fā)展，做出了非常重要的貢獻，這也讓他在獨立研究早期就聲名遠(yuǎn)揚。2005年，時年71歲的霍爾與德國馬普量子光學(xué)所（MPQ）的奧多爾·亨施（Theodor W. H?nsch）因為他們“對包括光學(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”共同分享了一半的諾貝爾物理學(xué)獎。[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，可以用來丈量光的頻率。1978年，還是斯坦福大學(xué)的助理教授、德國科學(xué)家奧多爾·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，并且成功測量出一種紅外線激光的精確波長[11]。一個月后，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)頻率梳可以用來直接測量光學(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)頻率測量研究的綜述[13]，被諾貝爾委員會收錄進2005年諾獎工作的介紹。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，霍爾出席諾貝爾獎頒獎典禮，邀請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，如果沒有軍，事情進展會慢得多。”霍爾在上述口述史訪談中表示。對于霍爾獲得諾獎，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，是因為我們用了很多Jan發(fā)明的技術(shù)?！?/span>
1997年，葉軍離開洛基山腳下的科羅拉多大學(xué)，來到美國西海岸的加州理工學(xué)院，加入了杰夫·金布爾實驗室做博士后研究。
金布爾是腔量子電動力學(xué)(cavity-QED)領(lǐng)域最有影響力的先驅(qū)之一。在金布爾實驗室，葉軍嘗試在高精細(xì)度的光腔中把原子一個個冷卻下來，等它們的運動速度降下來，再抓住一個原子，觀察它的量子態(tài)，也就是單原子的腔量子電動力學(xué)。對于已經(jīng)做了五年熱分子（也就是室溫條件下的分子）的葉軍來說，這一研究是全新的，也是迷人的。他從研究文獻入手，了解這個領(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候，這些原子亂七八糟的，你控制到一個原子的時候，你就覺得很了不起。然后你把所有的原子都扔掉，就抓住一個原子，這個原子你可以做quantum state control，實現(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。他意識到：既然我能夠抓一個原子，可不可以抓100個原子，抓1000個原子，然后把它們一個一個抓起來，互相之間進行作用？“那就相當(dāng)于你做了一個network，并不是單個原子在那里工作，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、量子計算機，或者做clock（時鐘）?！比~軍說。時鐘，人類一個古老而日益精進的發(fā)明。歷史上，人類使用過多種多樣的計時裝置來測量和指示時間的流逝。例如，根據(jù)太陽的位置來指示一天時間的日晷。對于較短的時間間隔，17世紀(jì)單擺鐘的發(fā)明是一個里程碑，鐘擺利用地球的重力，以相同的振幅和頻率擺動，計時變得精確起來。但到了大航海時代，拿一個單擺鐘上船，搖搖晃晃，單擺鐘很快就失效了。18世紀(jì)，英國的一個工匠約翰·海爾森（John Harrison），采用金屬發(fā)條和滾子軸承，發(fā)明了英國當(dāng)時最為精確的表，其中的一只幫助探險家和航海家?guī)炜舜L進入太平洋，經(jīng)過熱帶和寒帶。再后來，半導(dǎo)體集成電路的發(fā)明，人類迎來了精確度更高的石英電子手表。但當(dāng)人們逐漸揭開原子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，一切都不一樣了。費曼說，宇宙萬物由原子構(gòu)成。的確，原子在這個世界之基本，多到可能數(shù)都數(shù)不清。原子這個詞，源自希臘語“atoms”，指的就是“不可分割的微粒”。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，后來又發(fā)現(xiàn)了中子的存在。一個關(guān)于原子的模型就此構(gòu)建出來：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動。1930年代，美國科學(xué)家拉比（Isidor Isaac Rabi）等人發(fā)現(xiàn)，通過對原子施加額外的電磁場，可以讓電子從低能級軌道跳到高能級態(tài)軌道，而當(dāng)電子從高能級軌道回到低能級軌道，就會釋放出電磁波。原子從高能量態(tài)到低能量態(tài)的這一過程，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，拉比在一個報告中提議，使用特定原子的兩個能級作為頻率參考來建造原子鐘。[14]我們現(xiàn)在使用的時間基本單位“秒”的定義，就是基于銫原子的躍遷頻率。1967年，第13屆計量大會將一秒定義為“銫-133原子基態(tài)的兩個超精細(xì)能級之間躍遷所對應(yīng)輻射的9 192 631 770 個周期的持續(xù)時間”。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接替他。他們想到了葉軍，向他發(fā)出邀請。時年31歲的葉軍對斯坦福大學(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)院回來的時候，就在想做光學(xué)鐘，如果要做原子鐘的話，我不應(yīng)該只用一個原子，而用很多的原子?！比~軍說。原子是中性的，不帶電荷，不會像離子（帶電的原子）一樣容易發(fā)生電荷之間的相互作用。雖然一個原子躍遷釋放出來的信號很微弱，但如果把同類原子的數(shù)量放大一千倍，一萬倍，甚至百萬倍，它們共振的信號就變得很強了。正如前面所說，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數(shù)量級，因此也被稱為光學(xué)原子鐘。光的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了可見光譜的范圍。從藍(lán)色可見光的一端向不可見光區(qū)域擴展，會依次經(jīng)過紫外線、遠(yuǎn)紫外線譜區(qū)，接著延伸至X射線、γ射線譜區(qū)。從紅色可見光的一端向反方向擴展，則會依次經(jīng)過紅外線、微波、無線電波譜區(qū)。在光的波譜上，隨著波長越來越短，光的擺動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)時最先進的微波計數(shù)器的計數(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，需要至少三個核心要素：一個是鐘擺，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的頻率計數(shù)器。
這三個要素的挑戰(zhàn)各不相同。我們先來講一下要素三：如何測量光的頻率。
“光的頻率比（當(dāng)時）所有的電子設(shè)備都要快很多，在90年代末的時候，要去測量光學(xué)的頻率是非常困難的。那個時候要做光學(xué)鐘，第一個問題要解決的就是怎么樣發(fā)明一個儀器來測量光學(xué)的頻率。”葉軍說。
因此，在JILA的前五年，葉軍工作的一個重心，就是與霍爾一起解決光頻計數(shù)的問題，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數(shù)的微波射頻信號。這期間，在JILA訪問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。
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)頻率梳的簡稱）被發(fā)明以前，沒有人給你光梳用，這就需要你自己把它做出來以后去控制它，去測量它，去調(diào)試它，然后用它來作為一個測量工具。這個測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，來告訴世界，這個光梳到底要做得多么好?！?/span>
這個技術(shù)是如此基礎(chǔ)，成為很多實驗室的常規(guī)技術(shù)。此后，無論人們是通過離子還是中性原子，甚至是冷分子來做光鐘，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，在最外殼層有兩個電子，它們可以在兩個電子軌道之間跳躍。鍶原子的一個獨特之處在于，它停留在激發(fā)態(tài)的時間非常長，躍遷的線寬又很窄，方便進行精確的頻率測量。葉軍對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，讓它們的運動停下來。實驗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。具體來說，先把原子放在真空環(huán)境里，與外部的空氣隔絕開，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，運動就會很快減慢。接著，就要通過光學(xué)陷阱捕獲這些原子，這樣才能長時間地去觀察它們，來實現(xiàn)精密測量。問題在于，在冷卻和捕獲原子的時候，會產(chǎn)生由光造成的原子能級移動效應(yīng)，對原子的躍遷頻率產(chǎn)生影響。如何在捕獲這些原子的同時，并且激發(fā)原子躍遷，并讓每個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。通過光學(xué)的手段捕獲原子并進行量子操控，他們發(fā)現(xiàn)，需要找到一個特定波長的激光用來捕獲原子，來保持原子的兩個量子態(tài)，也就是原子躍遷的穩(wěn)定。毫無疑問，要做光學(xué)原子鐘，找到這個特定的激光波長很關(guān)鍵。2000年6月23日，致力于各種原子結(jié)構(gòu)計算的JILA理論物理學(xué)家Chris Greene發(fā)郵件給葉軍：經(jīng)過計算，他找到了這樣的一個魔術(shù)波長，可以做到在囚禁原子時做到原子躍遷的頻率穩(wěn)定。[15]在實驗中，這種特定波長的激光，被稱為“魔術(shù)波長”（magic wavelength），后來被用到了囚禁原子的光晶格之中，來避免影響原子躍遷的頻率。差不多在同時，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個光學(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”的光晶格原子鐘。2005年5月，香取秀俊研究組率先實現(xiàn)世界上第一臺鍶原子（Sr87）光晶格鐘，并測量鐘的絕對躍遷頻率[16]。2006年1月，葉軍帶領(lǐng)的研究小組也報告實現(xiàn)了鍶原子光晶格鐘[17]。到了9月，法國巴黎天文臺的實驗組也報告實現(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)晶格鐘的競爭之中，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。在這一競爭中，葉軍的小組總是處于最前沿的位置。
2008年，葉軍帶領(lǐng)團隊建造出來的鍶原子光學(xué)晶格鐘，準(zhǔn)確度超過了當(dāng)時的銫原子鐘。圖為2008年葉軍在JILA。圖片由受訪者提供。
2008年，葉軍帶領(lǐng)的研究小組測出最新的鍶原子光晶格鐘的絕對躍遷頻率，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)時準(zhǔn)確度最高的銫原子鐘[19]。葉軍對這一研究至今印象深刻?！澳莻€時候，我們都知道一個原子的quantum coherence（量子相干）時長可以達到幾十秒，但怎么樣在實驗上實現(xiàn)它，仍然覺得不可思議，因為原子總是在那里走來走去，你要去看它的時候，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，我們的實驗室才第一個把clock transition（鐘的躍遷），可以做到一個赫茲的線寬，赫茲是一個能量的單位，它的倒數(shù)是秒。長時間地保持量子相干性很重要，相當(dāng)于一個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，我還知道這個單擺在什么位置，它在左邊還在右邊，這對時鐘精度的提高是起到了關(guān)鍵的作用。”到了2014年2月，葉軍小組通過同時控制1000多個原子的量子態(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，他們報告了將約1萬個鍶原子放在3維光晶格中，實現(xiàn)光原子鐘的相對精度達到2.5×10-19，這個誤差相當(dāng)于宇宙年齡誤差100毫秒。[21,22]憑著對光學(xué)晶格鐘的發(fā)明和發(fā)展做出的開創(chuàng)性貢獻，葉軍和香取秀俊一起先后獲得2020年度的墨子量子獎，以及2022年的科學(xué)突破獎基礎(chǔ)物理學(xué)獎。
如今，葉軍的實驗室還在繼續(xù)推進測量時間的精度。他告訴我們，在取得世界最高的測量精度以后，他和同事最近一直在努力進一步提高測量時間的準(zhǔn)確度。從應(yīng)用的角度來說，時間的精度越高，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)，這是因為導(dǎo)航系統(tǒng)從本質(zhì)上來說就是一個時間測量系統(tǒng)。葉軍和同事們測量時間達到的精度，顯然已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了我們的想象，超出了當(dāng)前的實際應(yīng)用。“我現(xiàn)在研究的課題，就是把很多的原子放在一起，研究它作為一個量子多體物理的現(xiàn)象。鐘不光是看時間的，還用它來研究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?！比~軍說。原子鐘每一次精度的提升背后，都意味著某項技術(shù)的改進，或者某些影響原子鐘準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的量子物理問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，就是因為他們準(zhǔn)確測量原子的環(huán)境溫度，大大降低了溫度帶來的黑體輻射頻移的測量不準(zhǔn)確度。[23]葉軍他們發(fā)現(xiàn)，對于原子鐘來說，雖然單個原子被囚禁在光晶格時非常安靜，但當(dāng)原子的數(shù)量增加到幾千、幾萬時，原子之間仍然有微弱的相互作用。2018年的測量結(jié)果提升了一個數(shù)量級，是因為葉軍他們找到了一種特殊的方法，使得多個原子合并在一起，然后變成絕緣相來避開彼此，這樣原子之間的相互作用得到了極大的抑制，進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，時間做的越準(zhǔn)，但是時間做的越準(zhǔn)了以后，你就會去看這些quantum particle都在互相作用，會不會讓時間變得不準(zhǔn)。所以，我覺得這是一個好像永無止境的科學(xué)的探索。”“從這點來講，AMO physics（原子、分子和光學(xué)物理）很有意思，從一開始很多原子random的運動，到后來發(fā)明激光把原子冷卻了以后，然后選出一個原子來進行量子態(tài)的操控，接下來又把原子一個個的聯(lián)合起來。你可以看到這個原子的研究從無序到有序，再將很多原子簡化到一個的過程，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）的，現(xiàn)在是everything is under control（一切盡在掌握）?！比~軍說。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，用來幫助尋找遠(yuǎn)方的引力波，探測神秘的暗物質(zhì)。“如果你沒有好的顯微鏡，那塊玻璃看起來很平滑。有了顯微鏡，你會發(fā)現(xiàn)這塊玻璃實際上有很毛躁的東西在上面。你看得越深，你就越會知道微觀層面what’s going on?！比~軍解釋說。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，在毫米尺度驗證愛因斯坦的廣義相對論[24]。他們發(fā)現(xiàn)，即使在1毫米的高度差上，一個原子團的兩個區(qū)域的時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，這與廣義相對論預(yù)言一致。這是人類第一次在如此微小的尺度驗證愛因斯坦的廣義相對論，論文登上了《自然》封面。“愛因斯坦的廣義相對論預(yù)測引力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出來時間的不同。這在以前是不可以想象的。”葉軍說。今天，統(tǒng)治整個物理學(xué)界的兩大理論，一個是愛因斯坦的引力理論，另一個是量子力學(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)在還沒有人知道。“在量子力學(xué)里面，我們都講到有一個波函數(shù)，這個波函數(shù)表明這個粒子在什么地方你是不確定的。而引力理論認(rèn)為，它在不同地方的時間是不一樣的，這就有一個conflict between quantum physics and gravitational physics。這個矛盾到現(xiàn)在為止沒有實驗的手段去檢驗。如果我們把時間測量做得很準(zhǔn)，就可以嘗試著去看看量子力學(xué)和引力之間的關(guān)系，這個是愛因斯坦一輩子都沒有解決的問題?！比~軍解釋說。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呢？葉軍表示，因為我們現(xiàn)在還缺少足夠精確的時間測量，“量子引力是目前的實驗做不到的，gravity（引力）實在太弱了，你要去做這個實驗，只能夠到黑洞附近去做?！?/span>對于測量時間，一個很自然的疑問是：測量時間的精度有極限嗎？“如果你說時間測量做的越準(zhǔn)，下一個測量的limit在什么地方，我可以說我現(xiàn)在看不到limit。從量子力學(xué)來講，任何的問題，我們碰到覺得是一個limit，到最后都變成了一個物理問題，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，比如兩個原子放在一起，它即使不碰撞，也會互相進行感應(yīng)作用，這些我可以測出來了，我既然能測出來就能控制它，那就不成為一個limit?！?/span>“其實所謂的極限，是我們認(rèn)識的極限。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，為什么我們存在宇宙里面，照理來說我們不應(yīng)該存在，因為宇宙大爆炸產(chǎn)生，應(yīng)該有反物質(zhì)和正物質(zhì)，全部物質(zhì)放在一起，它就會湮滅掉?？墒俏覀兌歼€存在，為什么呢？不知道?！?/span>
“接下來limit在什么地方呢？說不定limit是，我們這個宇宙并不是一個靜止的宇宙?！比~軍說。他描繪了這樣的一個情景：宇宙就好像是一個交響樂團，大爆炸一直在發(fā)生，里面有許許多多的黑洞和恒星，有時候兩個恒星相互吸引，湮沒，然后產(chǎn)生了引力波。“如果時間的測量做得很準(zhǔn)以后，我們就可以一直會碰到這些引力波，這些引力波過來以后也會影響測量時間的時鐘的變化。說不定我們的鐘做下去，100年、200年以后，你就會覺得整個宇宙就像一個海洋，充滿了引力波的海洋，宇宙大爆炸的引力波不斷回來，可以用我們的鐘聽到?！?/span>
