中国激光冷却原子史的新解读基于档案、手稿等新史料

钱逸涛 杨 凯

一 引言

1997年10月15日，瑞典皇家科学院宣布该年度的诺贝尔物理学奖授予美国物理学家朱棣文(Steven Chu)、威廉·菲利普斯(William D. Phillips)以及法国的科恩-塔诺季(Claude Cohen-Tannoudji)教授，以表彰他们在发展用激光冷却和捕获原子方法方面所做出的杰出贡献。消息传至国内，国家自然科学基金委及很多国内科学家发现激光冷却原子研究领域早有中国学者王育竹踏足。有学者认为：“王育竹提出的激光冷却气体的物理思想与现在使用的机制是一致的。”[1]而王育竹的研究成果也早早发表在1980年《科学通报》第9期及1981年的《激光》第8期上，因此不少科学家甚至媒体发声认为“中国科学家错失诺贝尔物理学奖”“中国学者距离诺贝尔奖仅咫尺之遥”[2]。

王育竹是否真的曾接近诺贝尔物理学奖？笔者在搜集史料的过程中发现了两份来自诺贝尔奖委员会的来信(图1)，信件内容显示王育竹被邀请为1997年度、1998年度诺贝尔物理学奖提交提案，并为自己选定的获奖发明或发现给出推荐理由，这表明诺奖委员会早已注意到了王育竹的研究成果，并对其研究工作给予了充分认可。

图1. 诺贝尔奖物理学奖委员会的来信(1)诺贝尔奖委员会来信，1997、1998年，具体月份不详，该信件原件由王育竹院士办公室提供。

关于这段早期中国激光冷却原子史研究尚留有诸多疑点，尤其是其中有几个核心问题：中国科学家王育竹关于激光冷却原子的研究在时间上是否具有优先性？其研究在同期同类成果中处于什么位置？王育竹研究成果是否真正达到了国际领先水准？没有获得诺贝尔物理学奖是否意味着中国科学家此前的努力付诸流水？这些问题尚未能从前人研究成果中得到清晰完整的正面解答。

关于中国激光冷却原子史，主要来自当事人的回忆性文章：王育竹记述了开展激光冷却原子初步阶段时期的动力、物理思想以及开展的实验结果[3]，王义遒记述了其在北京大学开展利用与原子束逆向行进的激光束减速原子束研究的经历[4]。此外，陈崇斌等曾基于部分访谈资料和文献简述了中国激光冷却原子研究的发展史，并将其中的经验教训归结为缺乏关键的实验设备、科研资金不到位等因素[5]。本文拟根据对当事人的访谈资料、王育竹论文手稿、中国科学院上海光学精密机械研究所(以下简称上海光机所)所藏档案等新史料重新解读这段历史，并以此求教于学界同仁。

二 国际国内同期同类成果的对比

早在20世纪60年代就有苏联科学家提出可以利用激光驻波限制原子的活动范围，从而达到“捕获原子”的效果[6]。但完整提出利用激光辐射压力来冷却气体原子的机制则是来自斯坦福大学的肖洛(A. L. Schawlow)教授和德国物理学家汉斯(T. W. Hansch)，在他们1975年发表的文章当中明确将激光冷却原子的过程称为“多普勒机制”，并通过理论推导、数值估算将该机制对应的极限温度称为多普勒极限(大约为240μk)[7]。1984—1987年间斯坦福大学的朱棣文及其同事通过多次实验验证了多普勒冷却机制，并在此过程中进一步发展了构成了新的磁光陷阱(Magneto-tptical trap，以下简称“MOT”)技术，MOT技术进一步提高了冷却原子的密度，延长了观察时间，为后续激光冷却原子的实验工作提供了重要的技术手段[8，9]。

汉斯、肖洛提出的多普勒冷却机制从提出到成功验证跨越了近10年时间，在此期间激光冷却原子研究虽然在国际上产生了一些反响，但影响范围有限，在中国开展激光冷却气体原子研究的单位更不多见，主要有上海光机所的王育竹的团队和北京大学的王义遒研究团队等，其中王育竹最早认识到了激光冷却原子这种新技术具有广泛的应用前景，据王育竹回忆：

1978年我们在工厂完成了航天科学技术所需的科研任务后，重新回到了研究所，开始了科研工作。我们已经离开研究工作七年了，搞什么研究课题呢？国际上发展现状如何？在图书馆我查到了1975年汉斯和肖洛发表在光通讯上的文章，他们提出激光冷却气体原子的建议……这篇文章对我产生了巨大的吸引力……我决心投入到“激光冷却气体原子”研究中去，因而决定了我后半生的科研道路。[10]

传统原子钟的性能受限于原子的热运动速度，若能有效减缓热原子的运动速度就能大幅提高原子钟的稳定度和精确度，这对原子钟技术的改进将是革命性的。基于此，王育竹在1977年就提出了利用积分球红移漫反射激光冷却气体原子，在一份王育竹亲写的手稿当中记录了他当时提出该机制的理论思想和初步推算(图2)，其基本物理思路是当原子进入球型腔后，球内的红移漫发射激光与原子发生共振，原子受到共振光压的作用会不断减慢速度，从而达到冷却效果。但是这种新机制的实验条件十分严苛，比如要求实验中的光学系统是一个对原子束轴向对称的系统，球形腔内各方向传播的光强度均等。因此相关实验直到1992年才完成，并证明了该机制属于多普勒机制的范畴。

图2. 王育竹关于激光冷却原子束方案讨论手稿[11]

多普勒冷却机制在1975年被提出后虽然在国际上经各研究小组反复验证，但随着大量新实验研究结果出现，科学家发现所谓多普勒极限是可以被突破的。比如王育竹在1979年提出的利用交流斯塔克效应(光频移效应)激光冷却原子，正是一个不同于多普勒冷却的新机制[12]。除此之外，王义遒研究团队也于20世纪80年代率先提出利用激光减速原子束频标的新方法[13]。这说明中国科学家是在激光冷却原子研究领域尚不热门时就介入了该领域的研究中来，但对于前述核心问题如：国内研究成果同国外同类型研究成果相比到了哪一阶段？其物理思想落实到何种程度？发表时间上又是什么顺序？则需要进一步的梳理分析。笔者汇总了1975—1989年间国内外具有代表性的激光冷却原子领域学术成果(表1)。

1975—1985年间国外研究单位，特别是斯坦福大学物理系完成了科学研究中所必需的提出假设、形成理论、实验重复验证的闭环，其研究时间持续长，合作单位众多，包括位于美国新泽西州的贝尔实验室、巴黎高等师范学院等顶尖科研单位，激光冷却原子领域中重要技术名词如多普勒机制(The Doppler mechanism)、光学黏团(molasses)、MOT(Magneto-tptical trap)技术等名词都均是由斯坦福大学研究团队首次提出，并得到了学术共同体的广泛认可。再如美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology，简称NIST)激光冷却和捕获研究小组1991年以前就在PhysicalReviewLetters、Nature、Science等顶尖刊物的发文数量累计已超过25篇。中国科学家王育竹、王义遒等人关注激光冷却原子这一新兴领域的时间并不比国外晚，甚至提出一些基本物理思想的时间比国外还早近10年，但支撑他们投入激光冷却原子研究的单位只局限于上海光机所、北京大学等少数几个单位，国内激光冷却研究单位从论文数量、论文发表的刊物级别、研究工作量来说和斯坦福大学等顶尖研究团队存在不小的差距。为进一步对比王育竹的激光冷却原子研究工作与国外同类成果，须将研究时段拉长，并且对研究内容及新物理现象的实验验证工作进行详细分析。

三 提出突破多普勒极限的新机制

1.理论设想

一般认为王育竹提出的低于多普勒极限的新机制没有得到广泛关注有几个原因：(1)发表阵地，20世纪80年代的中国虽然已改革开放，但由于此前长期处于闭塞状态，导致中国科学家与国外学术界交流并不多，即使有一流的成果也难以被国际一流学者认可(2)笔者认为学界里流传的“1980年代中国学者缺少在国际一流学术刊物发表论文的机会”这一说法并不准确，该说法仅限于部分新兴研究领域，并不能推而广之。研究开启的时间早晚与后续研究工作的实际进展并无强关联关系，因此不能说是中国学者缺少在国际一流学术期刊发表论文的机会，而可能是还未到发表在国际一流学术刊物的时机。，王育竹等人的早期成果又发表在中文期刊上，因此很难在国际学术界产生影响；(2)20世纪80年代国内对外学术交流渠道不通畅，获得顶尖专家的指导机会少[5]。不可否认这都是十分重要的客观因素，但将中国早期激光冷却研究工作没有获得足够影响力的原因完全归咎于以上两点，未免有以偏概全之嫌。因此笔者根据新发掘史料，对王育竹的早期激光冷却原子研究工作进行重新解读。1979年，正逢诺贝尔物理学奖得主肖洛(A.schawlow)访问上海光机所，访问期间王育竹向肖洛介绍了他关于激光冷却的物理思想，并将相关论文寄给肖洛审阅。肖洛归国后阅读了王育竹关于“利用交流斯坦克效应(光频移效应)激光冷却气体原子”一文后，他给王育竹写信说道：“这个思想是新的、合理的，表达是直接清晰的，建议迅速发表”，来信原文如下：

Dear Professor Wang ：

I must apologize for being so slow in answering your letter of February 12. Things have been very busy here and，even now，I have not been able to find the time to give your fascinating paper the careful study it deserves.

The idea is novel and seems quite reasonable. The presentation seems clear and direct，and as far as I can tell，it would be appropriate to publish the paper in the form that you sent me. However，it would be nice if there were some quantitative estimates of possible laser powers and the corresponding cooline achiwvable. For instance，when we were preparing our paper，it appeared that available continuous-wave lasers would produce only a little cooling unless a very large volume could be illuminated. Otherwise the atoms，moving at about 100 km per second，would move out of the illuminated regionbefore appreciable cooling would be achieved，But，even if you do not make any additions，I hope that your article will soon te submitted and publish.(3)王育竹与肖洛教授的通信往来，1980年3月20日，存于中国科学院上海光机所王育竹办公室。

来信中肖洛教授也指出现有研究存在的问题——对激光功率及其所对应可以实现的冷却效果缺乏定量化的研究，若原子以100km/s的速度逃出激光照射区域，将无法达到理想的冷却效果。此外，据王育竹回忆：“在1980年的国际激光会议上海分会场上，一位国外科学家也不认同交流斯塔克机制，认为在电容器中的原子，加上电压会使原子能级移动，无法冷却原子。”[14]虽然这个说法后面被证实有误，但从侧面反映1979年王育竹提出的新机制尚需要实验进一步验证，王育竹本人对此也有回应：

(1)这两篇东西(指的是积分球冷却方案和交流斯塔克效应冷却方案)是在十三年前(1977年)开始搞激光冷却时写的东西。一篇在1979年成都光频标方案论证会上报告过，一篇未发表。由于当时尚无激光冷却方面的理论文章，所以我的两篇文章中没有系统的分析。

(2)文章中提出了三种冷却方式的基本物理机制，即“利用积分球激光冷却原子束”“非球面聚焦镜激光冷却”和“利用序列重复脉冲冷却原子束”它正是世界当前所谓的“Diffusion light cooling”和“White Light cooling”希望大家……把这两个基本思想做深入、做系统，做出有中国特色的冷却工作。(4)王育竹科研说明手稿，1991年8月16日，存于中国科学院上海光机所王育竹办公室。

这证明王育竹在1979年提出的激光冷却新机制并非未被当时国际顶尖科学家注意，而其成果未能引起足够影响的原因可能在于其研究尚处于起步阶段，相关猜想或假设未经严谨的理论推导和数值估算，有效的实验验证工作也未能及时组织起来。作为一名严谨的实验物理学家，王育竹很清楚现有研究存在的不足，于是完成激光冷却原子方面的验证实验成为下一步研究工作中的重中之重。

2. 实验验证

1979年，王育竹赴日本东京大学短期交流，在东京大学分子光谱实验室，他与清水富士夫教授合作开展了多光束偏转钠原子束实验，实验方案如图3所示：通过特定实验装置使得激光入射方向垂直于原子束飞行方向，当激光频率与原子跃迁频率共振时，可以观察到偏转原子束的荧光在空间跳动，这显示了光压力的作用[3]。该实验结果证明了辐射光压用于激光冷却气体原子的可行性。

图3. 多光束偏转原子实验方案图图片来源：《物理》2011年第7期第424页

时隔多年，王育竹对在日本短暂的访问之旅仍记忆犹新，他回忆道：“这个实验结果(指在东京大学开展的多光束偏转原子实验)使我十分振奋。它证明了激光气体原子技术的可行性，这是世界上最早用激光观察到的光压力作用的实验结果之一！”(5)王育竹《我的科研自述》，2012年2月，内部资料。

王育竹于1984年与同事在上海光机所组建成中国第一个激光冷却气体实验室(后改名中国科学院量子光学开放实验室)，改进了传统原子束装置中探测束流强度的方法。利用照相机和一维二极管列阵组成一维荧光探测器，记录了原子束荧光的空间分布，获得了信噪比最佳的实验结果。还利用激光偏转原子束的方法第一次测量了热原子束的速度分布，从某种意义来说该项研究是1979年在东京大学实验工作的进一步延续和改进[15]。

1987年，王育竹团队进行了钠原子束一维激光冷却实验，率先观察到了低于多普勒冷却极限的物理现象，与美国国家标准局(United States National Bureau of Standards，简称NBS)研究小组(6)1988年8月，美国国家标准局(NBS)更名为美国国家标准与技术研究院(National Institute of Standards and Technology，简称“NIST”)。成为了世界上最早观察到此现象的两个小组之一。其实验方案是使钠原子束垂直通过一维偏振激光驻波场，沿驻波场轴线进入直流磁场，用一维CCD照相机探测原子束荧光空间分布(7)CCD即Charge coupled Device，中文全称—电荷耦合元件，是一种半导体器件，能够把光学影像转化为数字信号。。当调谐激光频率对原子共振的失谐量时，观察到了激光对原子束横向一线冷却和加热现象。在论文中王育竹总结了其研究工作：

(1)该项研究是利用迟滞偶极力对原子束进行的一维准直实验研究；

(2)获得了原子横向速度从 50 cm/s降低到15 cm/s的结果，这相当于有效横向温度从 350 降低到 33μk；

(3)原子束的良好准直可以通过具有较大正偏谐的强驻波场来实现；

(4)从原理上来说，使用一对垂直驻波场对原子束进行二维准直并不困难。[16]

对于已取得的实验结果，王育竹最先投稿到《物理评论快报》上，但评审专家认为文章理论与实验结果不符，因为当时国际上仅有两能级原子的冷却理论，但它不能解释低于多普勒冷却极限温度的实验结果。王育竹自述曾想利用“交流斯塔克效应激光冷却气体原子”来解释实验结果，但最终由于信心不足而放弃。而在此时美国标准与技术局、斯坦福大学研究团队也早早注意到该现象，在朱棣文1989年发表的论文中就明确提出两能级原子的能级的冷却理论并不适用钠、钙等原子，在他的研究当中综合使用了计算机程序模拟、数值求解、实验等多重方法和证据证明了低于多普勒极限现象的存在，从论文结论来看，王育竹等虽然观察到了反常物理现象的存在，但论文最终落点在对实验方法的改进和实验结果的观察上，没有对冷却温度过低这一反常实验结果继续探究，更遑论突破原有理论框架；而朱棣文等人成功的关键在于大胆否定了原多普勒理论中的两个假设(即原子的两能级性质和光场具有纯极化状态的假设)，通过大量精确实验的测量，以及多种理论分析手段，发展出了一套与最终实验结果相适应的理论体系，这是完成亚多普勒冷却体系(Sub-Doppler)中的关键一步[17—19]。

四 站在国际学术舞台上

在激光冷却气体原子的研究过程中，王育竹及上海光机所的研究工作受到了不少国际同行的关注，他多次代表上海光机所在国际激光光谱会议、国际量子电子会议(IQEC)(图4)(8)IQEC邀请函，1994年5月10日，原件由王育竹院士办公室提供。、国际量子学与激光科学会议(QELS)作学术报告，他被推选担任国际激光光谱会议指导委员会成员、1992年国际量子电子学会议 (EQEC)的共主席，国际第十三次原子物理会议顾问(图4)(9)王育竹当选国际原子物理会议顾问书面通知书，1994年3月17日，原件由王育竹院士办公室提供。、国际物理联盟(IUPUP)量子电子专业委员会成员、德国马普学量子光学国际顾问委员会成员等多个重要学术职务。1999年他还成功当选了瑞典皇家工程科学院外籍院士和国际理论物理中心高级合作成员。

图4. 部分王育竹参与国际学术交流材料图

1989—1990年间，王育竹受李政道先生邀请成为新成立的中国高等科学技术中心(CCAST)特别委员，他利用CCAST的优越实验条件开展研究并获得中心的经费资助。但在1989年7月24日，王育竹收到到来自李政道先生的来信，来信称：“中心因受意大利政府对中国政府的制裁影响，所有新批示资金全被冻结。”(10)原文为“as you may know，CCAST-World Laboratory funding originates from the Italian Government.Since the end of last month，economic sanctions have been imposed by Italy against China. As a result，the funds for all new CCAST appointments have been frozen”。因此王育竹预想开展的激光冷却实验也就只能作罢。对于王育竹与国外科学家的交往情况，现任中国科学院量子光学重点实验室主任刘亮表示：“在我与王先生(指王育竹)的长期交往当中发现王先生的工作得到了国外科学家的普遍尊敬，比如提出交流斯塔克效应的新机制就得到了国外同行的普遍认可，在同国外科学家特别是美国、法国、德国科学家的学术对话中，王先生能够十分自如、从容地介绍自己的工作，他们之间的交流基本都是平等愉快的。”(11)魏荣研究员访谈刘亮研究员，2023年4月14日，上海光机所。

1994年7月4日王育竹参加了澳大利亚举办的第六届亚太物理会议，参加会议的主要国家和地区包括美国、日本、新加坡、韩国，中国台湾地区、中国香港等，大会提交了600多篇论文，各类分会场口头报告达400多场，其中王育竹受邀在大会上作题为“原子光学中的激光冷却和准直原子束”的主题报告，参会学者中还有不少介绍了本国(或地区)量子光学研究发展情况。在这一次与国外量子光学领域学者的直接对话中，王育竹深深感受到了亚太地区与美国、法国等量子光学领域强国的差距，据王育竹回忆：“亚太地区在量子光学和原子光学的研究水平远不及美国、法国，但亚太地区从事中国领域研究的人在增多，研究工作涉及的面很广，其中日本、澳大利亚、中国的水平较高。”(12)王育竹参加第六届亚太物理会议纪要，1994年8月20日，内部资料。会议结束后王育竹还访问了澳大利亚昆士兰大学、澳大利亚国立大学、堪培拉大学等几所大学的物理系、信息科学系，并同澳大利亚的几位著名物理学家建立了友好联系。结束访问后，王育竹在归国报告中写到：“我国在量子光学和原子光学的研究早已开展，但进展缓慢。量子光学研究多为理论计算和理论分析，而这些理论工作都远离实际工作，也远离国际的发展前沿……激光控制原子运动的研究仅在上海光机所和北京大学进行。上海光机所已工作十年，在激光偏转原子束、亚泊松光子统计验证、原子束一维冷却做出了一些有意义的工作……而不能进行三维冷却工作。”(13)王育竹访问澳大利亚几所大学报告，1994年8月20日，内部资料。这也从侧面证实了正是在高水平的国际学术交流中，王育竹认识到了20世纪80—90年代间中国激光冷却原子研究工作遇到的瓶颈——很多研究工作只能停留在理论计算、分析上，而理论推导、计算又与实验工作严重脱节，因此需要正视与美国、法国等国家科学研究的差距。

这些证据都表明1979—1997年间，王育竹在上海光机所的研究工作得到了不少国际同行的关注，其中不乏在国际主流学术界介绍报告自己研究的机会。除此之外，上海光机所量子光学实验室也先后接待了多位世界级科学家访问，比如朱棣文、肖洛、李政道等诺奖得主，这至少说明所谓“国际学术界不了解中国科学家的研究、中国科学家缺少国外专家直接指导”的说法并不准确。正是在多次国际高水平学术交流中养成了王育竹世界一流的学术眼光、敏锐的物理直觉以及对国外最新研究成果的洞察力，同时也正视了国内与国际原子光学前沿研究的差距。

五 结语

纵观早期中国激光冷却原子史，遗憾与收获并存，从短期来看，中国研究小组克服了种种困难，在有限的实验条件下独立观察到了低于多普勒极限的物理现象，但最终因为“信心不足”等原因错失了诺贝尔奖级别的新发现，着实可惜。但转换视角来看，首先，中国激光冷却原子研究并没有因为“错失诺奖”而陷入低谷，反而在20世纪90年代逐渐进入了研究高潮：王育竹在1979年提出的积分球冷却机制成为中国科学院量子光学实验室的重点研究方向，并于1993年得到了实验验证，实验证明：积分球红移漫发射激光冷却气体原子是一个非常有效、实用的激光冷却气体原子技术，它所需的实验设备简便、紧凑、体积小、重量轻、易搬运，如今已成为小型星载原子钟研制中的主流技术方案[20]。

其次，进行激光冷却原子的研究过程中打造了一支素质过硬、实验能力强、创新精神足的研究队伍，培养了一支在国内甚至国际舞台上从事冷原子物理研究的人才队伍，中国科学院量子光学重点实验室在激光冷却原子研究过程中又开辟了如冷原子频标、空间原子频标、光纤时频传递等新研究方向。1992年，上海光机所的王育竹联合北京大学、中国计量科学研究院的研究团队申报了国家自然科学基金重大项目——原子光学与时间基准的研究[21]。在国家自然科学基金委的资助下，北京大学和上海光机所在国内首次获得了铯、钠冷原子云，首次实现了铯磁光阱，性能达到国际水平，并观察到了一些冷原子团特异现象，在国内首次实现光学黏团，获得了超冷原子，测得自由下落超冷原子团最低温度为10μk，创造了多项国内科研纪录[22]。

实验设备的缺乏、科研资金不到位等因素确实是科学研究中绕不开的难题，但内在因素也是不可忽略的重要方面，王育竹在2007年前往德国马普研究所参加评议会后撰写的归国总结值得我们注意：

马普协会所属的光学、信息和光子学研究所是由马普协会支持的研究所，正在努力建设成为马普协会下属的正式研究所……该所的研究成果要求必须具有重要的科学价值和世界一流的学术水平……该所工作人员约100多人，在职职工仅22人，大部分人是博士生和硕士生，客座人员有14位。[23]

根据上文信息可知马克斯·普朗克量子光学研究所正式成立至今不足20年，但根据最新结果显示——2023年诺贝尔物理学奖正授予了该研究所所长费伦茨·克劳斯(Ferenc Krausz)，马克斯·普朗克量子光学研究所成立初期情况与上海光机所、北京大学进行激光冷却原子研究的初步阶段很相似，在研究早期，人力、物力、财力缺乏是正常现象，客观条件无法在短时间内得到根本改善，即使是国外研究机构也并不都是起步就具有优越的科研条件，关键在于如何创新思想、转换视角、久久为功，开展有前瞻性、系统性、发展性的研究。

早期激光冷却原子研究引起的争议或者遗憾不能简单归结为中外科学家交流不畅、信息闭塞、观念不同，而是要结合具体情境对中外科学家的对话、对科学家的具体研究工作进行深入剖析，王育竹具有世界一流物理学家的敏锐洞察力，在国际激光冷却原子研究方兴未艾之时，就认识到了该领域的广袤应用前景，在有限的条件开展了一系列开创性的工作。但必须指出的是，20世纪90年代上海光机所价值超过100万的科研仪器都屈指可数(14)中国科学院上海光学精密机械研究所所志(1964—2003)，2003年，内部资料。，不能因为优先供给一个方向的研究而偏废了其他同样重要的研究方向。中国科学家没有获得诺贝尔奖固然遗憾，但王育竹在20世纪70年代开展的激光冷却原子研究在40年后结出了丰硕“果实”也不失为另一种收获。

致谢在论文写作过程中，得到了上海光机所王育竹院士秘书王金媛、上海光机所人事处王忆琳、综合档案室吴燕华、岳文杰、俞为琴老师、科技处王慜超老师的重要帮助。中国科学院量子光学重点实验室前主任刘亮研究员接受了访谈，提供了重要线索。此外，笔者参加中国现代科技史研讨会报告此文时得到了中国科学院大学王大洲教授的指导，在此一并致以最诚挚的谢意！