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光学名人
王育竹

王育竹(YuzhuWANG),男,1932年2月29日出生,籍贯河北省正定县,汉族。1955年毕业于清华大学。1960年苏联科学院电子学研究所研究生毕业获副博士学位。中国科学院院士,瑞典皇家工程科学院外籍院士。现任中科院上海光机所研究员、博士生导师、量子光学开放实验室学术委员会主任,浙江大学兼职教授。山西大学量子光学开放实验室学术委员会主任、中国科技大学量子信息开放实验室学术委员会主任。国际理论物理中心高级合作成员(1994-2000)、国际应用物理联盟(IUPAP)量子电子学专业委员会委员、美国科学促进会(AAAS)荣誉会员。

人物经历

1932年2月29日生于河北正定。1955年毕业于清华大学无线电工程系。1960年苏联科学院电子学研究所研究生毕业获博士学位。中国科学院上海光学精密机械所研究员。长期从事电磁场与原子相互作用的研究,是我国原子频标开拓者之一。1997年当选为中国科学院院士

个人成就

建立了中国第一个量子光学开放实验室,率先开展激光冷却气体原子的研究。首次提出将光频移效应用于激光冷却气体原子。利用激光偏转原子束验证了亚泊松光子统计规律。开展了一维驻波场激光冷却原子的研究,观察到低于多普勒极限温度的现象。首次将多普勒效应用于原子干涉仪,观察到原子干涉现象。利用固体微球腔量子电动力学效应,获得了新的激光谱线。王育竹完成的“铷原子频率标准”获1978年全国科学大会奖,1978年院重大科技成果奖,1977年上海市科学大会重大科技成果奖;“718”铷原子钟是“远望号”测量船的主要项目之一,“远望号”综合测量船获1985年国家科技进步特等奖;“激光偏转原子束研究与亚泊松光子统计规律的验证”获1988年中科院科技进步二等奖,1989年国家自然科学三等奖;“光的力学效应研究”获1989年中国物理学会首届饶毓泰物理奖;“腔内QED效应研究”获1996年中科院自然科学三等奖;“光泵远红外激光理论与技术”获1995年中科院自然科学三等奖(排名第三)。 根据NATURE和SCIENCE关于朱棣文(StevenChu)、科昂-塔洛德基(Cohen-Tannoudji)和威廉.菲利普斯(V.Phillips)1997年诺贝尔物理学奖获奖工作的介绍,早在1970年,科学家(包括美国国家标准局的瓦因兰(DavidWineland)、贝尔实验室的Ashkin等)就发现在激光照射下的原子速度会在各个方向都减慢,或者说原子被冷却了下来。之后许多科学家都想从技术上实现它。1985年,朱棣文和合作者第一次利用试验技术手段将原子冷却到240微绝对温度,1988年菲利普斯将温度降到40微绝对温度,并进一步发展了测量温度的方法。科昂-塔洛德基领导的小组后来发明了一种新的方法,获得了比一个更低的温度μk量级绝对温度更低的温度。达到这个目标之后,原子就完全被控制了,被稳定下来的原子可以做长期的科学试验

这些研究的成功直接导致了许多新的科学发展,如使原子发生了玻色-爱因斯坦凝聚,这项工作获得了2001年的诺贝尔物理学奖。此外,还研究了在极低速度下原子发生碰撞时的行为;朱棣文和他的助手还获得了从未有过的地球重力测量的准确值;科学家还发明了原子钟等等。

学术工作

激光冷却原子领域

王育竹自1970年起,激光冷却原子就成为一个热门的科学前沿领域,并不断涌现新的进展。1978年, 王育竹院士看到美国学者肖洛等人1976年发表在《光通讯》上一篇题为“激光冷却气体原子”的论文,受到启发并提出试验方案,但由于种种原因,没有条件在试验上实现。事实上,肖洛的想法落后于瓦因兰和Ashkin,而且肖洛并未将此想法实现,就于1981年去世。从1997年物理学奖3位得主的研究工作来看,问题不在于想法,而在于试验上的首次实现与重大推进。朱棣文在1985年首次试验成功,据有关报道说,当时的试验设备都是朱棣文自己设计的,因此有人称朱是世界上最优秀的工程师。之后菲利普斯和科昂-塔洛德基都做出了重大推进。诺贝尔奖给了在试验上实现的人,而没有给最初提出想法的人。这可能就是人们通常所说的诺贝尔奖只给收获的人,不给播种的人。

三种设想

1979年,王育竹凭借扎实的科学功底和长期科研工作积累的经验,提出了“积分球红移漫反射激光冷却气体原子”、“序列脉冲激光冷却气体原子”和“利用交流施达克效应激光冷却气体原子”3种新设想,分别在同年的全国光频标方案论证会、《科学通报》杂志和次年的《激光》杂志上报告和发表。前两项物理思想是多普勒冷却机制,与诺贝尔奖获得者菲利普斯1983年的工作相似。后一项物理思想与诺贝尔奖获得者朱棣文和科昂-塔洛德基在1989年提出的低于多普勒冷却极限的冷却机制相一致。虽然王育竹提出这些思想的时间无法考证与后来获诺贝尔奖的3位国外科学家谁先谁后,但他的工作是非常重要的原创性工作。

日本教学

1979年底,王育竹去日本短期访问和工作。当时,日本还没有人开展激光冷却研究,没有这方面的实验室。王育竹在东京大学、理化所、东京工业大学讲学期间,有两个日本人对他讲的激光冷却气体原子很感兴趣,他们是清水富士夫和宅间宏。清水富士夫与王育竹合作,搭建了实验装置,进行了光辐射压力的实验,取得了成功。在日本,人们看到这方面的进展,马上投入了大量的经费搞激光冷却,清水富士夫从美国相干公司购进了多台激光器,建立了设备完善的实验室。后来,清水富士夫做出了十分出色的工作,他的学生做出了玻色-爱因斯坦凝聚的实验,日本成为亚洲第一个做出这个实验的国家。

国内研究

王育竹在日本讲学和合作实验了两个月后,王育竹回到国内,希望得到两台稳定的激光器,但这在当时是不可能的。当时强调以任务带学科,这一思想对我国的科学发展起了重大作用,但忽视看来似乎与任务无直接关联的基础性研究。王育竹向各有关方面递交申请报告,要求支持激光冷却气体原子的研究。但报告送出后,如石沉大海,没有回音。由于缺少2台总计价值约100万元的频率稳定性高的染料激光器,王育竹只能用分配到实验室的一点有限经费逐步地建立实验装置--原子束装置及相关的激光器等设备。这样一拖就是14年,原本可以一次完成的实验被分成几次、十几次做。倘若在国外只要是独具匠心的学术思想,一般总能申请到经费,通常用半年或一年就可以获得一定的结果。

个人影响

可以说,在1979年改革开放初期,王育竹先生就能够准确地捕捉到这一重大科学问题,充分说明他所具有的科学洞察力和深厚的科研功底,如果当时信息交流通畅和经费投入及时,至少可以将中国在这一领域的工作推进到日本的水平--亚洲第一。

这一案例至少可以使我们建立起信心,中国人有能力攀登科学的高峰,不要总在洋人面前妄自菲薄。

王育竹先生是国内的著名科学家,在国际上也有一定影响。这个案例从一个侧面说明,国内的科研环境、科研管理体制还需大大改善,改善到能够使创新的思想和工作不断地涌现出来。假如王育竹院士当年的申请能够得到应有的重视,并组织得当,那么,我国在激光冷却这一重要科学前沿领域的工作就不会是今天的局面。

研究成果

中国科学院上海光机所量子光学重点实验室王育竹院士率领的课题组经过三年的艰苦努力,日前成功地观察到了铷原子的玻色-爱因斯坦凝聚现象。这项成果表明中国的激光冷却原子实验物理研究已跨入国际先进行列。

早在1924年,玻色和爱因斯坦就曾在理论上预言了玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)现象的存在,即在一定的温度下,无相互作用的玻色子会在最低能量量子态上突然凝聚,达到可观的数量。1995年美国德国的三位科学家首先从实验上证实了这个新物态的存在,为此获得了2001年度诺贝尔物理奖。

1999年中国科学院上海光机所量子光学小组承担了国家自然科学基金重点课题“玻色-爱因斯坦凝聚的实验与理论研究”,日前在栓磁光阱系统的实验中成功地观察到了铷原子蒸汽中的玻色-爱因斯坦凝聚。玻色-爱因斯坦凝聚的实现为开展物质波相干性研究建立了实验平台,对中国科学研究有着十分重要的科学意义和潜在的应用价值。它为中国实验物理学家提供了一个独一无二的新介质,并开拓了新的研究领域,如研制原子激光器和物质波放大器等。在应用技术方面提出了很多新的设想和建议:研制高准确度和稳定度的原子钟和精密原子干涉仪;用于改善精密测量的准确度;原子物理常数的测量、微重力的测量和矿藏探测等。

擦肩诺贝尔

1997年度诺贝尔物理学奖授予了在激光冷却气体原子研究方面作出突出贡献的朱棣文等3位科学家。消息公布后,我国科技界几位学者曾感慨地说,上海光机所王育竹研究员提出的激光冷却气体原子的物理思想与使用的机制是一致的。王育竹在“激光冷却捕获原子”研究初期,处于该领域的领跑地位,遗憾的是未能将这一优势保持到最后。中国科学家成为某一阶段领跑者,却未能成为最终成功者,与诺贝尔奖擦肩而过,其经历令人深思。

王育竹王育竹1978年在完成了为“远望号”测量船研制原子钟的任务后,经常考虑下一步的研究方向。一次在查阅国外文献资料时,看到美国斯坦福大学汉斯和肖洛两位教授1976年发表在《光通讯》上一篇题为“激光冷却气体原子”的论文。“激光冷却气体原子”的设想对他产生了巨大的吸引力。他知道,如果能降低原子的温度,原子钟的精确度就会大大提高,而且这一研究可能对揭示原子物理奥秘以及验证物理学基本定律都具有重大意义。他当时并没有意识到这个课题的成功将可能获诺贝尔奖,但他意识到它的重要性和价值。当时该论文的作者汉斯和肖洛的“激光冷却气体原子”也仅仅是设想,没有提出实验的方法。王育竹凭借扎实的科学功底和长期科研工作积累的经验,不到一年就提出了“积分球红移漫反射激光冷却气体原子”、“序列脉冲激光冷却气体原子”和“利用交流施达克效应激光冷却气体原子”3种新设想,并分别于1979年在全国光频标方案论证会上作了报告和在1979年的《科学通报》、1980年的《激光》杂志上发表。前两项物理思想是多普勒冷却机制,与诺贝尔奖获得者Phillips1983年的工作相似。后一项物理思想与诺贝尔奖获得者朱棣文和CohenTannoudji在1989年提出的低于多普勒冷却极限的Sisyphus冷却机制相一致。这些原创性思想提出的时间,比后来获诺贝尔奖的3位国外科学家提出同类思路早了5至10年。

辉煌过去

五十年代量子电子学诞生的初期,他就开始电磁场与原子相互作用的研究。三十年来随着这门学科的发展,他从微波段量子电子学研究发展到光波段量子光学研究,做了系统的研究工作。

他负责研制成功我国第一台铷原子钟,并已用于多项重要国防任务,其中安装在“远望号”综合测量船上作为时间基准的铷原子钟,保证了历次卫星的发射成功。他是我国原子钟研究的开拓者之一。

王{ԌE{Ԍ个量子光学开放实验室,开展了激光冷却气体原子研究。他首次提出将光频移效应用于激光冷却气体原子。首先利用激光偏转原子束验证了压泊松光子统计规律。他和学生开展了驻波场激光一维冷却原子束的实验,在国际上是首先观察到低于多普勒冷却极限温度的现象的实验室之一。他首次将多普勒效应应用于原子干涉研究,研制成多普勒原子干涉仪。他和学生首先利用固体微球腔研究腔内量子电动力学效应,观察到自发辐射增强和抑制现象,并获得了新的激光谱线。他的小组在国内首先实现了磁光阱囚禁Na冷原子气体,并首次观察到四极矩磁场中由于量子干涉产生的莹光暗线。

为此获全国科学大会重大成果奖、中科院和上海市科学大会重大成果奖,首届中国物理学会侥毓泰物理奖、国家自然科学三等奖、国家科技进步特等奖荣誉证书,中科院和部委级二等、三等、四等奖共十项。发表论文百余篇,主编国际会议论文集两本。1986年被授予“国家有突出贡献中青年专家”称号。

人物访谈

王育竹院士认为,对实验物理研究而言,提出原创性的学术思想固然重要,但更重要的是从实验上展示它的可行性和它的重要应用前景。他分析自己这些领先的研究思路,没能付诸实验的原因是:

主观上缺乏强烈的攀顶峰精神

当时在他的思想观念中没有要为自己的某个目标而奋斗的想法,更不敢想要为诺贝尔奖而奋斗,没有把个人的成功与人民的利益统一起来。实际上,国家和民族的富强是建立在个人的努力和奋斗的基础之上的,中国成功的科学家越多,国家才越强大。要创新就要有风险,需要巨大的胆量和勇气去承担风险。由于缺乏这种攀顶峰的精神,当遇到巨大的客观困难时,就没有勇气去顽强地拼搏奋斗

客观上不够重视基础研究

当时强调“以任务带学科,忽视了看来似乎与任务无直接关联的基础性研究。1979年“文革”刚结束,王育竹多渠道向各方写申请报告,要求支持开展激光冷却气体原子的研究。但报告送出后,如石沉大海,没有回音,甚至认为“看不出用途,以后再考虑”。从而失去了良好的机遇,延误了我国这项研究的进展。

缺乏较好的设备和良好的技术支撑

他当时之所以无法及时开展实验,主要是因为缺少2台总计价值120万元的频率稳定性高的染料激光器。当时王育竹曾通过各种渠道给有关主管部门写申请报告,要求支持开展激光冷却气体原子的研究。但在当时,有关部门很难拿出这笔经费支持一项暂时还看不到应用前景的基础性研究。王育竹只能用分配到实验室的一点经费逐渐建立所需要的装置——原子束装置和激光器设备等,用了十几年的时间才建立了这些装置。原本可以一次完成的实验被分成几次、十几次做。这样一拖就是14年,直到1993年才最终完成了“积分球红移漫反射激光冷却气体原子”的实验,但发表论文的时间已比国外同行晚了10多个月。若在国外只要是新的独具匠心的学术思想,一般总能申请到经费,通常用半年或一年就能作出结果。

缺乏宽松自由的学术环境

完成一项有价值的科研工作需要一个好的学术环境。但在当时,学术环境不理想,信息闭塞,与外界交流不畅,科学家之间很少学术上的自由争论,这样不利于新的学术思想的成长。科研机构的基层领导,在学术上要有敏锐的洞察力,要有宽阔的、容纳百川的胸怀,更要有敢于支持萌芽中的学术思想的勇气,这是对基层领导者的基本素质要求。另外,作好研究工作还需要一个好的研究集体。王育竹的研究组是一个很好的集体,在完成原子钟研制任务时作出了十分出色的工作。但是,当需要转向基础性研究时,研究小组也应进行重新组合,吸收新的成员和新的思想,补充新鲜血液,增加新的活力,以利于科研工作的快速发展。

展望未来

王育竹院士认为,能否得诺贝尔奖,实际上是科研水平的综合体现,某一阶段的领先者也不一定都是最终的成功者。面临21世纪的国际科技竞争,如何重视、珍惜科学家的原创思想,不“冷却”科学上弥足珍贵的原创思想,值得引起深思。加强原始科学创新是中国科学院的神圣职责。美国一位经济学家说:“当今世界最具有竞争优势的国家,既不是资源最丰富的国家,也不是资本最雄厚的国家,而是拥有最多的基础科学知识的国家。”中国科学院的基础研究要在把握世界科学发展整体态势的前提下,按照江泽民同志要求的“有所为,有所不为”,有所选择,精心布局。中国科学院要进一步鼓励前沿探索,尤其要在一些学科交叉的新领域,敏捷反应,部署新的学科生长点。

王育竹院士认为,实施知识创新工程以来,中国科学院科研环境已有很大改善,科研条件日臻完善,青年一代已肩负起建设科技强国的重任。我国正处在出创新成果的好时期,中国科学家获得诺贝尔奖已为期不远。


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