“深耕科技前沿動(dòng)態(tài)，解讀科技背后真相，瞄準(zhǔn)科技產(chǎn)品評(píng)測(cè)”

Marlan Scully教授

美國(guó)得克薩斯A&M大學(xué)和普林斯頓大學(xué)的Marlan Scully教授，是量子光學(xué)領(lǐng)域的先驅(qū)科學(xué)家。在激光物理和量子光學(xué)領(lǐng)域，他作出了多項(xiàng)突破性發(fā)現(xiàn)，包括：與Willis Lamb合作提出了激光的量子理論(Scully-Lamb量子理論)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光的首次實(shí)驗(yàn)演示，首次成功在熱原子氣體中產(chǎn)生超慢光，以及利用量子相干性實(shí)時(shí)檢測(cè)炭疽病毒等。Marlan Scully教授科研興趣濃厚廣泛，著作等身，他合作編寫了量子光學(xué)的經(jīng)典教科書Quantum Optics和Laser Physics。除了過(guò)人的科學(xué)造詣，他還是活躍的領(lǐng)導(dǎo)者，例如每年在猶他州鹽湖城Snowbird舉行的 Winter Colloquium on the Physics of Quantum Electronics（簡(jiǎn)稱PQE），他從創(chuàng)始初期就負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)，吸引著來(lái)自世界各地、各個(gè)領(lǐng)域的物理學(xué)家。

——Photonics Research主編 楊蘭

Marlan Scully：我在懷俄明大學(xué)獲得量子力學(xué)專業(yè)的學(xué)士學(xué)位后，便到耶魯大學(xué)開(kāi)始研究生階段的學(xué)習(xí)，從事低溫物理方面的工作。而著名物理學(xué)家Willis Lamb當(dāng)時(shí)也在耶魯，正是他發(fā)現(xiàn)了蘭姆移位，并將量子電動(dòng)力學(xué)發(fā)展成一個(gè)兼具理論與實(shí)驗(yàn)的研究領(lǐng)域。我非常幸運(yùn)地為Willis Lamb所教授的量子力學(xué)課程批改作業(yè)。

后來(lái)，我慢慢意識(shí)到低溫物理并不是一門容易的學(xué)科。幸運(yùn)的是，那時(shí)激光研究逐漸興起，Lamb在耶魯大學(xué)研究激光，當(dāng)時(shí)他建議我一起研究激光的基本原理，研究激光密度矩陣如何從閾值下過(guò)渡到閾值上。他說(shuō)朱利安·施溫格曾經(jīng)就研究過(guò)這一問(wèn)題，但是沒(méi)有得到滿意的結(jié)論。其實(shí)我當(dāng)時(shí)不太愿意，但他堅(jiān)持建議我嘗試一下，表示這個(gè)課題足夠一篇畢業(yè)論文了。自那之后，我便進(jìn)入了這一領(lǐng)域，現(xiàn)在看來(lái)，我非常幸運(yùn)遇到了Willis Lamb，并且有這樣一個(gè)有趣的問(wèn)題。這就是我進(jìn)入量子光學(xué)領(lǐng)域的原因：好運(yùn)，以及優(yōu)秀的共事者。

Marlan Scully（中間）和1955年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Willis Lamb（右二），Olga Kochakovskaya（右一），Ali Javan（左一）及Paul Mandel（左二），來(lái)自www.lambaward.org

楊蘭：在您看來(lái)，量子光學(xué)發(fā)展史上最重要的發(fā)現(xiàn)或突破是什么呢？

Marlan Scully：量子光學(xué)對(duì)人類日常生活最重要的影響應(yīng)該是激光的發(fā)現(xiàn)，它給人類帶來(lái)了巨大的益處。1960年我還在求學(xué)，那時(shí)盡管光學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)了許多小而有趣的方向，比如法布里-珀羅腔、光譜學(xué)等，但總體來(lái)說(shuō)光學(xué)并非是熱門領(lǐng)域。直到激光出現(xiàn)之后，各種光譜學(xué)研究才成為了可能。例如拉曼光譜學(xué)，這是一個(gè)偉大的理論，在量子力學(xué)誕生之前，在1924年由理論物理學(xué)家Smekal提出的。該理論是指當(dāng)入射光被振動(dòng)的分子散射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生頻率稍低的散射光，這種出射光的頻率下移被稱為“斯托克斯散射”。當(dāng)拉曼首次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，他使用的是陽(yáng)光，而100億個(gè)光子中只有1個(gè)能產(chǎn)生拉曼位移，數(shù)量太少了；但是如果使用激光，將會(huì)得到較強(qiáng)的信號(hào)。

加拿大的Boris Stoicheff等人是推動(dòng)激光拉曼光譜應(yīng)用的先驅(qū)者。Stoicheff去印度時(shí)，他的光譜圖像就留在了拉曼的墻上。足以看出，激光的出現(xiàn)開(kāi)拓了整個(gè)光學(xué)領(lǐng)域（如非線性光學(xué)，量子光學(xué)，激光光譜學(xué)等）的發(fā)展。至今，光學(xué)領(lǐng)域的版圖已經(jīng)如此宏偉。

楊蘭：您能跟我們分享一下激光理論被提出時(shí)的故事嗎？

Marlan Scully：在1905年，愛(ài)因斯坦以一種全新的方式深刻詮釋了統(tǒng)計(jì)力學(xué)。那時(shí)麥克斯韋的電磁波動(dòng)方程仍被廣泛認(rèn)可，愛(ài)因斯坦和其他人也都還沒(méi)想到光子的概念。從普朗克對(duì)熱輻射熵研究的方法中得到啟發(fā)，愛(ài)因斯坦意識(shí)到熱力學(xué)概念中光的熵是由兩部分組成，光具有雙重特性，既有波的特性，也有粒子的特性。正是通過(guò)研究波動(dòng)和光的統(tǒng)計(jì)特性，才使愛(ài)因斯坦提出了光子的概念。

直到二十世紀(jì)五六十年代，人們開(kāi)始研究高強(qiáng)度激光問(wèn)題。Glauber等人證明描述一個(gè)相干輻射源的密度矩陣非常簡(jiǎn)單，即光子的泊松統(tǒng)計(jì)分布，這就是現(xiàn)在所說(shuō)的Glauber相干態(tài)。無(wú)線電波是Glauber相干態(tài)的一個(gè)很好的例子。

但是激光的輻射密度矩陣該如何表示？在低于閾值的情況，愛(ài)因斯坦已經(jīng)從熱力學(xué)角度給出了解釋；而高于閾值時(shí)是相干的，Glauber也給出了解釋。但在Glauber給出解釋之前，我們并不清楚。在他著名的關(guān)于激光輻射的講座中，Glauber說(shuō)道：“要想構(gòu)建密度算符，只能通過(guò)分析和求解問(wèn)題，以反推密度算符?！彼f(shuō)在諧振腔的情況下，可推算出公式。“非線性對(duì)于激光場(chǎng)的穩(wěn)定至關(guān)重要。因此在這一問(wèn)題有進(jìn)展之前，不太可能從量子力學(xué)的角度解釋激光的頻率帶寬及其輸出波動(dòng)。”這是Glauber 1964年講話中的內(nèi)容。

當(dāng)時(shí)，Lamb將這一問(wèn)題拋給了我，幸好我還沒(méi)看過(guò)Glauber的論述，否則我可能會(huì)退卻。那年整個(gè)夏天，我都在思考這個(gè)問(wèn)題，直到Lamb回來(lái)后，我們才發(fā)現(xiàn)激光輻射的密度矩陣的確可以通過(guò)分析激光固有的非線性表示出來(lái)。

Marlan Scully和Willis Lamb、Murray Sargent合著的教材《Laser Physics》圖片來(lái)自谷歌圖片

楊蘭：激光是您研究的主要方向，在眾多的研究成果中，最喜歡哪個(gè)問(wèn)題、對(duì)哪項(xiàng)成果感到最振奮？

Marlan Scully：二十世紀(jì)六十年代至八十年代中期，出現(xiàn)了玻色-愛(ài)因斯坦凝聚。玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)是一種弱耦合氣體，其原子服從玻色統(tǒng)計(jì)。一位優(yōu)秀的科學(xué)家完成了這一實(shí)驗(yàn)，隨后麻省理工學(xué)院的Daniel Kleppner教授對(duì)此作出了總結(jié)，并成功吸引了一大批人研究這一問(wèn)題。

很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，包括我在內(nèi)的很多人都覺(jué)得這不可能，認(rèn)為得到的只是一團(tuán)低溫氣體。氦原子成功實(shí)現(xiàn)凝聚態(tài)的原因在于其存在零點(diǎn)漲落，但如果把銣這樣的大原子與另一個(gè)大原子放在一起，它們將發(fā)生極化，變成一團(tuán)。幸運(yùn)的是，我們錯(cuò)了，玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)確實(shí)存在。后來(lái)，Dan Kleppner在Physics Today上發(fā)表了一篇文章，他認(rèn)為玻色-愛(ài)因斯坦凝聚與激光相似，是發(fā)生在原子之間的協(xié)同現(xiàn)象。這類物理現(xiàn)象與激光類似，因此稱其為原子激光。

隨后，Lamb打電話對(duì)我說(shuō)：“簡(jiǎn)直太瘋狂了，你去證明一下這是錯(cuò)誤的。思路是證明這些弱相互作用的原子并不具有非線性，這些原子并不會(huì)產(chǎn)生類似光子般的非線性，因?yàn)楣庾邮峭ㄟ^(guò)增益介質(zhì)相互作用的。你要證明這些全都不對(duì)！”我當(dāng)時(shí)贊同他的觀點(diǎn)，于是我開(kāi)始進(jìn)行證明，這一問(wèn)題逐漸吸引了我。然而，幾個(gè)月后我發(fā)現(xiàn)，他們的結(jié)果竟然是正確的！

借助一個(gè)合理的模型和細(xì)致的推導(dǎo)，我得到了相同的波動(dòng)方程以及跟接近閾值的氦氖激光相同的密度矩陣表達(dá)式。最終推導(dǎo)出的方程與激光的量子理論的數(shù)學(xué)結(jié)果完全一致。我既震驚又興奮，馬上打電話給Lamb：“Kleppner是正確的，這就是原子激光！”Lamb很激動(dòng)：“不可能！你盡快把計(jì)算結(jié)果寄給我看看。”我寫下來(lái)并寄給了他。他回復(fù)道：“盡管我還沒(méi)有論據(jù)證明這是錯(cuò)的，但我就是不喜歡這個(gè)結(jié)果！”

之后，我把計(jì)算過(guò)程寫成論文手稿，署上他的名字寄給了他。他拍打著我的頭和肩膀：“不，我絕對(duì)不會(huì)和你一起發(fā)表這個(gè)結(jié)果；這個(gè)結(jié)果非常糟糕，我對(duì)這一結(jié)果非常不滿意！”我只好說(shuō)：“Willis，保持一段長(zhǎng)達(dá)四十年的友誼的唯一方法就是與朋友一起并肩跋涉，克服困難。你并沒(méi)有很多這樣的朋友，你有我，你想怎么樣？迫使我疏遠(yuǎn)你嗎？”當(dāng)然，我是在和他開(kāi)玩笑。Lamb無(wú)奈道：“好吧，既然你很確定這一結(jié)果是正確的，那就發(fā)表吧，但是不要署我的名字，我們?nèi)匀皇桥笥选！庇谑牵野l(fā)表了這一結(jié)果。直到今天，人們?cè)趯?shí)驗(yàn)中仍舊觀察到玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)——原子激光的波動(dòng)與光子激光完全一致，這就是非常非常有趣的事情。

現(xiàn)在這個(gè)理論被應(yīng)用在生物物理領(lǐng)域，即我們熟知的生物光子學(xué)。[Herbert] Frhlich是超導(dǎo)研究的開(kāi)拓者，他在1950年第一個(gè)指出了電聲相互作用的重要性。之后Bardeen、Cooper和Schrieffer據(jù)此得出了BCS理論。這些研究者們奠定研究基礎(chǔ)的過(guò)程非常有趣。當(dāng)時(shí)他還說(shuō)過(guò)，在生物體中，也極有可能存在相干現(xiàn)象，或者是玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)。

多年來(lái)，我?guī)缀鯊奈此伎歼^(guò)這個(gè)問(wèn)題，但在過(guò)去的十年間，華盛頓的Bin-Solomon博士推動(dòng)了這一研究。目前我們已經(jīng)對(duì)蛋白質(zhì)分子的縱向振動(dòng)模式進(jìn)行了計(jì)算；與激光相同，它也遵循玻色-愛(ài)因斯坦凝聚。研究超流體和玻色凝聚等，是一種真正的樂(lè)趣，是一個(gè)真正把樂(lè)趣和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的領(lǐng)域。

Marlan Scully在得克薩斯A&M大學(xué)的超快激光實(shí)驗(yàn)室

楊蘭：除了在量子光學(xué)領(lǐng)域，您還發(fā)表過(guò)利用飛秒自適應(yīng)光譜技術(shù)檢測(cè)炭疽孢子的文章，您研究這一方向的動(dòng)機(jī)是什么呢，能否分享一下背后的故事？

Marlan Scully：如何解決本領(lǐng)域內(nèi)以及領(lǐng)域外的其他問(wèn)題，是一個(gè)非常重要的課題。我一直鼓勵(lì)學(xué)生們平等對(duì)待應(yīng)用物理和基礎(chǔ)物理方面的研究。

故事回溯到2001年左右，普林斯頓炭疽案（發(fā)生在美國(guó)的一起生物恐怖襲擊事件，2001年9月18日開(kāi)始，有人將含有炭疽桿菌的信件寄給了數(shù)個(gè)新聞媒體辦公室以及兩名民主黨參議員，此事件導(dǎo)致5人死亡，17人被感染）開(kāi)始之初，我們需要一種遠(yuǎn)快于實(shí)驗(yàn)室濕法化學(xué)的分析技術(shù)，來(lái)檢測(cè)郵件上的白色粉末是否是炭疽孢子。

我開(kāi)始著手研究這一問(wèn)題，并決定嘗試?yán)庾V技術(shù)，但拉曼光譜信號(hào)仍然非常弱。而采用相干拉曼光譜技術(shù)——可以這樣理解“相干”：假設(shè)有部分郵件樣本中的分子，比方說(shuō)有一小份一萬(wàn)萬(wàn)兆（即10²⁰）個(gè)分子，如果能夠協(xié)同這些分子的行為，使其相干振蕩，那么信號(hào)強(qiáng)度將翻倍。普通拉曼的信號(hào)強(qiáng)度與每毫升中的原子數(shù)n成正比，而相干反斯托克斯拉曼光譜信號(hào)強(qiáng)度則與n²成正比，因此相對(duì)于拉曼光譜技術(shù)更優(yōu)。

然而問(wèn)題在于，采用非尋常相干拉曼技術(shù)——之所以說(shuō)“非尋?！笔且?yàn)橄啾绕胀ɡ夹g(shù)，信號(hào)強(qiáng)度變成了n²，這是好的一方面；而壞的一方面則是噪音也變成了n²，因此造成了信號(hào)和噪音的混淆。所以我開(kāi)始著手研究改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)的方法，最終想到了飛秒自適應(yīng)技術(shù)——我們稱之為飛秒自適應(yīng)光譜技術(shù)FAST CARS（Femtosecond adaptive spectroscopic techniques for coherent anti-Stokes Raman spectroscopy, FAST CARS）^{【譯注1】}，結(jié)果證明這一技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目標(biāo)。

于是我前往美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局，向他們展示了這一技術(shù)的可能性。他們回復(fù)說(shuō)這一技術(shù)不可行，但的確是一個(gè)非常重要的課題，撥付了一百萬(wàn)經(jīng)費(fèi)讓我們研究其不可行的原因。我回到得克薩斯，決定與其他人一起向研究計(jì)劃局證明這項(xiàng)技術(shù)的可行性。

過(guò)了一段時(shí)間，我們?cè)俅吻巴芯坑?jì)劃局，他們回復(fù)說(shuō)：“太好了，這里是1000萬(wàn)，拿去做實(shí)驗(yàn)吧”。然而，實(shí)驗(yàn)需要用到飛秒激光器，但我們手中并沒(méi)有。事實(shí)上，21世紀(jì)初期，僅在密歇根和普林斯頓的實(shí)驗(yàn)室才有飛秒激光器。由于我認(rèn)識(shí)很多同行，所以我給普林斯頓的朋友打電話說(shuō)明了情況，他們說(shuō)，有很多人都想用飛秒激光器，但只有普林斯頓的教師才有資格使用激光器。除非你來(lái)我們這里做訪問(wèn)教授，這件事才有得談。

于是，我去參加了“面試”，展示了我們的技術(shù)設(shè)想。然而，坐在房間后面的一個(gè)人突然跳了起來(lái)喊道：“這不可能，你錯(cuò)了！眾所周知用CARS不行，因?yàn)镃ARS同時(shí)也會(huì)放大噪聲……”畢竟我還想借他們的激光器一用，所以我并沒(méi)有和他爭(zhēng)論。我說(shuō)：“我一直希望對(duì)我最嚴(yán)厲的批評(píng)，來(lái)自于朋友的私下告誡，而非敵人公然的針對(duì)?！彼貜?fù)道：“這個(gè)房間里足足有200人，所以這不算私下場(chǎng)合；而且我們也不是你的朋友?！?br/>

（大笑）我繼續(xù)講我的報(bào)告，只好告訴他：“你錯(cuò)了，原因如下…”我解釋了原因，之后他又和我持續(xù)爭(zhēng)論了一個(gè)星期，最后他終于相信了我的理論。于是，我們?cè)谄樟炙诡D和得克薩斯A&M大學(xué)就這一問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)年的研究，學(xué)習(xí)如何使用、搭建這類激光器。我的朋友——得克薩斯A&M大學(xué)的Alexei Sokolov和一些聰明的學(xué)生們一起，在普林斯頓的科學(xué)家之前就實(shí)現(xiàn)了這一技術(shù)。

我們起初的目標(biāo)是在掃過(guò)一封信的時(shí)間（1 ms~10 ms內(nèi)）進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，最終成功實(shí)現(xiàn)了FAST CARS技術(shù)，能夠在短至1 ns~1μs內(nèi)檢測(cè)到炭疽病毒。FAST CARS技術(shù)的這一成功應(yīng)用，讓我們開(kāi)始探索拉曼光譜在病毒檢測(cè)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。

新冠疫情爆發(fā)后，我們有幸與德國(guó)的同事合作進(jìn)行病毒檢測(cè)研究，一位名叫Volker Deckert的同事和我們一起想出了許多應(yīng)用這一技術(shù)的好點(diǎn)子。實(shí)際上，我們成功實(shí)現(xiàn)了快速檢測(cè)的目標(biāo)，并提高了分辨率^{【譯注2】}。他建議將這一技術(shù)命名為“FASTER CARS”。

借助該技術(shù)，如今我們能檢測(cè)到單個(gè)COVID-19病毒，并用針尖增強(qiáng)拉曼光譜掃描成像。針尖增強(qiáng)拉曼光譜是另一個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)，這項(xiàng)技術(shù)用一個(gè)如同原子力顯微鏡那樣的微小針尖掃描物體表面，對(duì)表面氨基酸進(jìn)行拉曼光譜成像。我們利用這一技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了很高的分辨率。這就是我們實(shí)驗(yàn)室所進(jìn)行的炭疽、COVID-19的病毒檢測(cè)研究。

細(xì)菌孢子的快速成像 圖片來(lái)自www.pnas.org

楊蘭：您可否談一談您當(dāng)前的研究興趣？

Marlan Scully：疫情之前，我正在研究由David Lee提出的一個(gè)問(wèn)題，David Lee因發(fā)現(xiàn)氦-3的超流體獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。David曾經(jīng)在耶魯大學(xué)做研究，在他離開(kāi)康奈爾大學(xué)之后，我幸運(yùn)地聘請(qǐng)他到了得州A&M大學(xué)——亦被戲稱“得州原子(Atomic)與分子(Molecular)大學(xué)”。有一天David問(wèn)我，為什么黑洞的霍金熵與其面積而非其體積成正比？我翻遍教科書都沒(méi)找到想要的答案，所以我嘗試用另一種理論解釋：Unruh輻射。Bill Unruh是一位偉人，他在霍金之后，給出了一種有關(guān)黑洞輻射的深刻見(jiàn)解，發(fā)表了一些著作等。借助Bill的理論，我想出了一種理解黑洞輻射的新方法，即觀察原子落入黑洞時(shí)所發(fā)出的光。我對(duì)此非常著迷，并打電話給Bill告訴他我的研究，他來(lái)到這里與我們一起工作了一年，如今加入了我們部門。

新冠疫情過(guò)去后，我們將繼續(xù)這項(xiàng)研究。這是我感興趣的方向之一，如果我能從業(yè)余擠出更多時(shí)間，我想在這方面做更多工作，研究量子光學(xué)、壓縮光與黑洞Hawking-Uhruh輻射之間的深層聯(lián)系。量子光學(xué)與其他學(xué)科結(jié)合，能夠?yàn)槠渌鼘W(xué)科做出貢獻(xiàn)，能在更深層面上諸如廣義相對(duì)論和黑洞物理這種看似風(fēng)馬牛不相及的領(lǐng)域中發(fā)揮作用。我對(duì)這一點(diǎn)非常感興趣，但目前我仍在繼續(xù)新冠肺炎這方面的研究。

除此之外，遠(yuǎn)距離成像的需求在量子光學(xué)中的地位不言而喻。遠(yuǎn)距離的植物健康和活力的（檢測(cè)）成像也是量子光學(xué)科學(xué)家在農(nóng)業(yè)科學(xué)中濃厚興趣點(diǎn)之一；我們?cè)?nbsp;Photonics Research 發(fā)表的文章Enhanced four-wave mixing process near the excitonic resonances of bulk MoS₂中有具體報(bào)道。同時(shí)，我們也對(duì)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)去年在 Photonics Research 發(fā)表的文章Single-photon computational 3D imaging at 45 km十分感興趣，下圖是他們團(tuán)隊(duì)進(jìn)行單光子成像的示意圖；他們的結(jié)果讓我們感到振奮，這也應(yīng)驗(yàn)了那句老話：一張圖片勝過(guò)千言萬(wàn)語(yǔ)。事實(shí)上，單光子遠(yuǎn)距成像技術(shù)還有望廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)。

Marlan Scully與潘建偉院士

在白天遠(yuǎn)程拍攝超過(guò)21.6公里的目標(biāo)物。(a) 實(shí)驗(yàn)的整體示意圖；(b) 目標(biāo)物（建筑K11）的地面實(shí)況圖像；(c) 在可見(jiàn)波段，用標(biāo)準(zhǔn)天文相機(jī)拍攝的目標(biāo)物圖像；(d)–(g) 在日光下使用單光子激光雷達(dá)拍攝的深度剖面，并通過(guò)不同的算法應(yīng)用于1.2 PPP（photon per pixel，每個(gè)像素點(diǎn)的光子數(shù)）和SBR=0.11（signal-to-background ratio，信號(hào)-背景比）的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重構(gòu)：(d) 用像素極大似然法重構(gòu)；(e) 用高效光子算法重構(gòu)^【4】；(f) 用Rapp和Goyal^【5】的算法重構(gòu)；(g) 用所提的算法重構(gòu)。通過(guò)將重構(gòu)的圖像與使用大量光子獲得的高質(zhì)量圖像進(jìn)行比較來(lái)計(jì)算峰值信噪比 (PSNR)。

楊蘭：請(qǐng)問(wèn)如何在研究過(guò)程中提出很有意義的問(wèn)題呢？

Marlan Scully：首先，選擇很有前景的領(lǐng)域，比如量子生物學(xué)，這是一個(gè)借助FAST CARS和FASTER CARS等激光光譜技術(shù)，也是一個(gè)將量子光學(xué)技術(shù)應(yīng)用在生物學(xué)領(lǐng)域的學(xué)科，如對(duì)冠肺炎病毒表面的氨基酸進(jìn)行成像等。其次，反復(fù)斟酌一些深層的問(wèn)題，比如之前的問(wèn)題：玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)與激光之間是否存在某種聯(lián)系？通過(guò)研究這些問(wèn)題，我們能否發(fā)現(xiàn)一些有趣的、意想不到的結(jié)果？答案是肯定的。

我認(rèn)為首位真正在哲學(xué)意義上解決這一問(wèn)題的人是Roger Penrose。由于在黑洞物理方面突破性的貢獻(xiàn)，他獲得了2020年的諾貝爾獎(jiǎng)。他問(wèn)道，量子計(jì)算機(jī)是否有可能模擬大腦工作的部分原理？每個(gè)人都回答，應(yīng)該不可能，大腦中的溫度太高，因此不存在相關(guān)性。在他的精彩著作The emperor's new mind中，Penrose寫道：“好吧，也許你們說(shuō)的是對(duì)的，但一切都尚未蓋棺定論。”所以要選擇一個(gè)你感興趣的問(wèn)題。我現(xiàn)在就對(duì)Penrose的這個(gè)問(wèn)題很感興趣，比如能否用超輻射等現(xiàn)象中的量子相干和糾纏，來(lái)解釋生物學(xué)知識(shí)？大腦中是否存在量子的活動(dòng)？

楊蘭：您發(fā)起的量子電子學(xué)物理冬季研討會(huì)（PQE）已成功舉辦了50多年，促使您持續(xù)舉辦這一研討會(huì)的原因是什么？

Marlan Scully：當(dāng)我在亞利桑那州的時(shí)候，我曾與洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、阿爾伯克基的柯特蘭激光實(shí)驗(yàn)室的研究者們共事，他們都很擅長(zhǎng)滑雪。當(dāng)時(shí)他們正打算學(xué)習(xí)光學(xué)和量子技術(shù)，于是他們說(shuō)，如果能在猶他這種有一個(gè)開(kāi)放坡道的新興滑雪勝地舉辦會(huì)議，早上去參加會(huì)議、下午滑雪，晚上回來(lái)繼續(xù)參加會(huì)議，那該多好??！所以我們發(fā)起了PQE。

這一研討會(huì)非常受歡迎，一是因?yàn)橛腥ぃ且驗(yàn)檫@是一種絕妙的研討交流方式。在早上8點(diǎn)到11點(diǎn)半的講座之后，聽(tīng)眾們已經(jīng)開(kāi)始感到疲憊；如果這時(shí)去滑雪，你也許能在滑雪纜車上偶遇Julian Schwinger等人。這也是PQE活動(dòng)的亮點(diǎn)，提供了一個(gè)與Julian Schwinger等大牛輕松交談的氛圍，一個(gè)在友好、美妙的環(huán)境中辯論的機(jī)會(huì)。

我們將PQE會(huì)議持續(xù)辦了下去，50年后的今天仍在繼續(xù)。量子電動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域如今成果豐碩，許多參加研討會(huì)的人獲得了諾貝爾獎(jiǎng)；還有很多人現(xiàn)在是該領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物。年復(fù)一年，參加該會(huì)議的人們組成了一個(gè)社群、一個(gè)家庭。目前PQE大約有300名成員，他們以一種特殊的途徑相互了解——一種不同于在紐約和其他地方的物理學(xué)會(huì)會(huì)議上簡(jiǎn)單碰面的途徑。

楊蘭：除了組織PQE會(huì)議，您同時(shí)還兼任許多國(guó)際學(xué)術(shù)委員會(huì)以及評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)的成員，您熱心幫助服務(wù)社區(qū)和學(xué)術(shù)界的初衷和收獲是什么？

Marlan Scully：和其他人一樣，我傾向于關(guān)注有趣且簡(jiǎn)單的科研工作，遺憾有時(shí)候沒(méi)有花足夠的時(shí)間去關(guān)心年輕的同事。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者Dudley Herschbach是一位偉大的化學(xué)物理學(xué)家，已經(jīng)在我們部門工作了十幾年，總是在四處尋找那些需要幫助的人，也在抽時(shí)間編輯期刊。多么令人欽佩啊，我永遠(yuǎn)無(wú)法像他一樣。

但我確實(shí)在努力幫助年輕同事和學(xué)生，這非常令人振奮。比如Wolfgang Schleich，在20世紀(jì)80年代早期我在德國(guó)的時(shí)候，他曾是我的博士生。如今他已經(jīng)成功地從聯(lián)邦政府那里為德國(guó)各地大學(xué)的研究人員爭(zhēng)取了7億歐元的經(jīng)費(fèi)。多么了不起的成就！我對(duì)此也感到非常激動(dòng)。我想說(shuō)的是，要時(shí)刻注意你能為同事做些什么，因?yàn)槟銓闹械玫骄薮蟮目鞓?lè)。耶穌說(shuō)過(guò)，“拯救自身的方法就是喪掉生命”，要用你的一生去幫助別人。

楊蘭：您在工作之余的愛(ài)好是什么呢？您又被稱為“量子牛仔”，這背后的故事是什么？

Marlan Scully：我在懷俄明一個(gè)偏遠(yuǎn)農(nóng)場(chǎng)中長(zhǎng)大，喜歡爬山，包括攀爬魔鬼塔和懷俄明其他山峰。耶魯有一個(gè)非常棒的登山俱樂(lè)部，David Lee也是其中一員。釣魚(yú)、放牧都是我一直喜歡的活動(dòng)。當(dāng)我還是一名年輕的教授時(shí)，我有點(diǎn)過(guò)于敢作敢為、有沖勁，以至于有人說(shuō)：“Scully的做事風(fēng)格就像那些’先開(kāi)火再問(wèn)話’的西部牛仔一樣”。我做事率真有沖勁的風(fēng)格為人所知，再加上我的確有幾個(gè)農(nóng)場(chǎng)，我想這大概是我被稱為“牛仔”的原因。

20世紀(jì)70年代末，Marlan Scully 和Vladilen Letokhov在""農(nóng)場(chǎng)。圖片來(lái)自Marlan Scully.

楊蘭：您對(duì)計(jì)劃從事量子光學(xué)研究的年輕學(xué)者們有哪些建議？

Marlan Scully：首先，找到一個(gè)真正吸引你的問(wèn)題。對(duì)于量子光學(xué)來(lái)說(shuō)，這一領(lǐng)域有許多問(wèn)題有待解決，比如糾纏，或者利用壓縮光實(shí)現(xiàn)性能更優(yōu)的顯微成像等。這些問(wèn)題，一方面屬于基礎(chǔ)科學(xué)，另一方面，它們其實(shí)有實(shí)際應(yīng)用。無(wú)論你的主要研究興趣是什么，都要思考如何有效利用那些技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，讓自己有所收獲。

以我自身為例，我研究激光，當(dāng)我發(fā)現(xiàn)激光陀螺儀在工業(yè)中的應(yīng)用潛力時(shí)，數(shù)十年來(lái)我一直為激光陀螺儀應(yīng)用方面提供建議。盡管我對(duì)此并非特別感興趣，這也并不是我的首要研究方向，然而一旦開(kāi)始研究，它便會(huì)吸引我繼續(xù)做下去。因此一定要鉆研那些你真正喜歡的、讓你有探索欲的問(wèn)題。