克劳泽的转型奇缘：从天文研究到量子物理诺奖 | 赛先生天文

封面图：量子纠缠和天文的神奇联系，2022年诺贝尔物理学奖得主克劳泽的天文缘。图片来源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences+ESA/Planck Collaboration，作者略作补充和调整。

• 导 读

2022年的诺贝尔物理学奖得主约翰∙克劳泽（John F. Clauser），在其学生阶段中，两次量子力学考试都只得了C。但在其职业生涯中，先是研究天体物理获得了物理学博士学位，后又着迷量子力学基本问题，并因实验检测贝尔不等式和量子纠缠领域的贡献而获得诺贝尔奖。这或许对我们的职业生涯规划和方向选择有所启迪？本期赛先生天文，咱们一起回溯一下这位量子大牛的天文缘。

撰 文 | 郑 政（美国犹他大学）

责 编 | 王馨心，吕浩然

近些年来，诺贝尔物理学奖被接二连三地授予了天文相关领域的研究，例如：2017年的引力波探测，2019年的物理宇宙学研究和太阳系外行星探测，还有2020年的黑洞理论研究和银河系中心大质量致密天体（黑洞）观测，就连天文同行们都感觉应接不暇了。

幸好，2022年的诺贝尔物理学奖花落量子力学领域，而非天文领域。不过且慢，要让天文学彻底消失谈何容易，今年天文还就偏要凑个热闹、擦个边儿：2022年诺贝尔奖得主之一约翰∙克劳泽（John Clauser，图1）因实验检测贝尔不等式和量子纠缠等领域的先驱性工作而获奖，但鲜有媒体提及的是，克劳泽博士期间的工作并非是量子纠缠，而是天体物理方向——关于宇宙微波背景辐射的测量 [1] 。对于这个鲜为人知的趣闻，我们在此权作花絮一聊吧。

图1：2022年诺贝尔物理学奖获得者约翰∙克劳泽。图片来源：https://www.johnclauser.com/

1964年，在加州理工学院结束本科学业后，克劳泽赴哥伦比亚大学物理系攻读研究生，其博士论文导师是帕特里克∙撒迪厄斯（Patrick Thaddeus [2][3] ，图2）。在哈佛-史密松天体物理中心（CfA）学习和工作过的天文同行们也许对撒迪厄斯并不陌生，他在1980年代建造了CfA 1.2米口径的毫米波望远镜并转到哈佛任教，其著名工作是银河系的CO（一氧化碳）分子巡天。

在哥伦比亚大学，克劳泽曾询问撒迪厄斯有什么研究课题，撒迪厄斯说其正准备在U2高空侦察机上放架射电望远镜进行观测。克劳泽立刻就被这么酷的想法吸引了，决定师从撒迪厄斯。不过，这个项目并没有真正实施，而克劳泽最后跟随撒迪厄斯所做的课题，是通过观测背景恒星光学光谱上的星际分子吸收线来测量宇宙微波背景辐射 [1] 。

图2：克劳泽在哥伦比亚大学物理系攻读博士学位时的导师帕特里克∙撒迪厄斯。图片来源：Nature Astronomy[3]

宇宙早期曾处于一个极高温度、极高密度的辐射占主导的状态，光子辐射场本身达到热平衡，其光谱接近完美的黑体谱。随着宇宙的膨胀，光子发生红移，能量降低，相应的光子辐射场温度随之降低，但依然保持黑体谱。时至今日，这一源自宇宙早期的光子辐射场温度已经降低到2.73K（对应零下270.42摄氏度），其峰值波长已经红移到毫米波段，被称之为宇宙微波背景辐射。1965年，贝尔实验室的彭齐亚斯（Arno Penzias）和威尔逊（Robert Wilson）意外地从射电观测上发现了微波背景辐射 [4] ，为大爆炸宇宙学提供了坚实有力的观测证据，两人也因此荣获1978年的诺贝尔物理学奖。

宇宙的膨胀（由勒梅特和哈勃于1920年代末发现）、宇宙微波背景辐射，还有宇宙的加速膨胀（1990年代末发现；珀尔马特、施密特和里斯因此荣获2011年诺贝尔物理学奖）可谓是二十世纪最重要的宇宙学发现。宇宙微波背景辐射是如此重要，2006年的诺贝尔物理学奖授予了对其黑体谱的精确测量以及其空间分布轻微各向异性的发现（马瑟和斯穆特）。如今，微波背景辐射的各向异性已经成为了限制宇宙学模型和探索极早期宇宙的利器，对其的观测方兴未艾。

克劳泽跟随撒迪厄斯做研究的时候，人们对微波背景辐射的观测刚刚起步。他们的课题实际上要追溯到1941年加拿大天文学家麦凯勒（Andrew McKellar）对星际CN（氰基自由基）分子吸收线的研究 [5] 。麦凯勒观测到两条CN分子转动能级吸收线（波长3870.0埃和3870.6埃，1埃=0.1纳米），两者的相对强度对应CN分子在两个能级的相对分布，他通过计算发现产生该相对分布所需的激发温度大约在2.3K左右，而他在当时并不知其所以然。

后来，克劳泽1966年发表的第一篇论文 [6] 就是和撒迪厄斯对CN分子这两条吸收线又进行了观测，并得到了转动激发温度3.75±0.50K。更重要的是，他们指出这相当于在波长2.63毫米（对应两条线的能级差）对微波背景辐射的测量（图3）。他们之所以把这项工作和微波背景辐射联系起来是听从了伍尔夫（Neville Woolf）的建议。当然，撒迪厄斯和克劳泽还讨论了其他可能性（比如碰撞激发），发现在合理的天文环境中，来自微波背景辐射的激发起到了绝对主导的作用。同时，他们还利用另外的CN分子吸收线和CH（次甲基自由基）分子吸收线在更短波长处给出了微波背景辐射强度的上限。

同一时期，菲尔德（George Field）和希区柯克（John Hitchcock）也根据CN分子吸收线的观测得到了类似结果 [7] ，他们的论文以及撒迪厄斯和克劳泽的论文背靠背发表在了同一期《物理评论快报》 [6][7] 。这样一来，麦凯勒的观测终于在25年之后得到了合理的解释，也就是说宇宙微波背景辐射实际上在1941年就被间接发现了。

撒迪厄斯和克劳泽以及菲尔德和希区柯克于1966年在2.63毫米对微波背景辐射的测量，是继威尔逊和彭齐亚斯于1965年在7.35厘米波段发现微波背景辐射 [4] 、普林斯顿大学的罗尔和威尔金森于1966年在3.2厘米波段的观测 [8] 之后最早的一批测量（见图3）。克劳泽1969年参与的第二篇论文是在更短的波长对微波背景辐射的强度进行限制 [9] 。笔者翻看了这学期给研究生讲宇宙学课准备的幻灯片，其中对微波背景辐射研究历史的回顾里赫然列有撒迪厄斯和克劳泽的名字，只是之前从未意识到彼克劳泽乃此克劳泽。现在看来，新科诺奖得主、量子力学大牛竟然在学术生涯早期对宇宙微波背景辐射的测量做出了贡献。嗯，下节课可以顺便给学生八卦一下。

图3：撒迪厄斯和克劳泽1966年论文的插图[6]。上图显示了恒星𝜁 Ophiuchi光谱上星际CN分子的两条吸收线（横轴是波长，纵轴是流量）。下图是据此得到的宇宙微波背景辐射在2.63毫米的强度，还包括了1965年和1966年其他几组最早对微波背景辐射的测量，曲线是温度为3K的黑体辐射谱。

博士毕业后，克劳泽去了加州伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室，到师爷查尔斯∙汤斯（Charles Townes [10] ，图4）那里进行博士后研究。这里要插几句有关汤斯的介绍，他1950年代任职哥伦比亚大学，曾是物理系系主任，期间发明了微波波段的激光（Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation，maser，中文译为脉泽），从而获得了1964年的诺贝尔物理学奖。后来汤斯的研究兴趣发生转移，觉得天体物理领域大有可为，便开始鼓动他的学生们做天文研究，这其中就包括撒迪厄斯，还有后来和威尔逊共同发现微波背景辐射的彭齐亚斯。

汤斯自己于1967年加盟伯克利后就专注于天体物理研究。他的课题里当然包含和他心爱的脉泽有关的天文研究，也就是观测星际介质和天体产生的脉泽。另外，在1970年代末，他的研究组对银河系中心进行了红外观测，发现了高速旋转的气体，预示着中心存在一个三百万倍太阳质量的天体，他们的结论是黑洞 [11] ，这应该是银河系中心大质量黑洞最早的观测线索了。2020年因为对银河系中心大质量黑洞的观测研究分享诺贝尔物理学奖的根泽尔（Reinhard Genzel）曾在汤斯的研究组进行博士后研究，之后任职伯克利，和汤斯共事多年，深受教益，视汤斯为影响其一生的人 [12] 。

汤斯的另外一项颇有影响的工作是设计建造红外干涉仪，对恒星的大小和形状进行测量。2006年，笔者在普林斯顿高等研究院做博士后期间，汤斯曾应邀到访做了一个红外天文方面的报告。虽然他用的是投影仪和透明片，但九十一岁高龄的他身体硬朗、思路清晰，实在是不服不行。2008年，汤斯作为重量级嘉宾曾到北京参加纪念望远镜发明四百周年科学新视野活动。汤斯于2015年初去世，享年99岁，甚至直到去世前他还一直会去办公室，真是工作到了生命最后一刻 [13] 。

图4：克劳泽的师爷和博士后导师查尔斯∙汤斯在加州大学伯克利分校物理系的办公室（2013年）。图片来源：UC Berkeley[13]

说回克劳泽，师爷汤斯的本意是让他做射电天文的研究，但当时的克劳泽却迷上了贝尔不等式 [1] 。去伯克利之前，他已经在组织三个朋友（波士顿大学的Michael Horne和Abner Shimony，以及哈佛大学的Richard Holt）一起撰写一篇论文，推广贝尔不等式并提出一个实验设计来检测定域隐变量理论了。他联系汤斯说想做这个实验，还担心伯克利的康明斯（Eugene Commins）研究组会抢了先。汤斯只是告诉他让他来了再说。

克劳泽爱好帆船运动，有一艘帆船，于是计划从东海岸出发驾船南行至得克萨斯上岸，再驾车到加州，最后沿西海岸驾船北上伯克利。结果在佛罗里达遇到了飓风，克劳泽提前结束了海上之旅。一路上，他每靠一岸到一地就会通过电话和信件与朋友们保持联系，讨论论文写作，在船上的时候则忙里偷闲修改稿件。克劳泽一到伯克利就将论文投稿了，在这篇著名的、引用率极高的论文里，他们提出了后来以四位作者首字母命名的CHSH不等式和对其进行检验的实验设计 [14] 。

克劳泽在伯克利做了一个相关的报告，汤斯对也在场的康明斯说他觉得还挺有意思，支持克劳泽独立开展研究，还介绍了康明斯的一位研究生弗里曼（Stuart Freeman）协助他。汤斯想了些点子，从非天文的经费里给克劳泽提供资助，加上克劳泽自己时不时在伯克利分校讲课挣点钱，基本没有了后顾之忧。

就这样，克劳泽到伯克利后压根儿就没做汤斯所预想的天文研究，而是租借了康明斯研究组的相关设备 [15] 就开始和弗里曼一门心思地扑在他设想的量子力学实验上 [1] 。相比汤斯的开明，撒迪厄斯则持坚决反对的态度。虽然克劳泽从撒迪厄斯那里学到了很多量子力学方面的知识，尤其是矩阵力学，还有如何写出优秀的科学论文，但当克劳泽跟他聊到要用实验检测贝尔不等式时，撒迪厄斯非常干脆地直斥他在纯粹浪费时间自毁前程。

即使弗里曼和克劳泽检测贝尔（CHSH）不等式的实验做出来以后，撒迪厄斯仍旧没有改变看法，直接称其工作为垃圾（junk）。结果就如预期，意义何在？当时不少物理学家也有类似的反应，也许是因为“闭嘴，计算！”（“Shut up and calculate！” [16] ）这一理念的影响，大家对量子力学的基本问题都避而不谈，不太看重。在给克劳泽求职写的推荐信里，撒迪厄斯也毫不客气，警告说如果克劳泽还是要利用各种机会做这种垃圾科学的话，就不要雇用他。不过后来撒迪厄斯给克劳泽道歉了，他终于意识到克劳泽的工作还是蕴含着非常有意思的物理的 [1] 。

虽然克劳泽研究的是量子力学的基本问题，但是他当初学习量子力学可并非一帆风顺 [1] 。在哥伦比亚大学物理系，有几门主课，研究生至少拿到B才能通过，其中一门就是高等量子力学。克劳泽先是跟范伯格（Gerry Feinberg）学了一学期的量子力学，结果得了个C（范伯格与温伯格和格拉肖是高中同学，李政道的学生，他自己的学生里也有宇宙学同行们熟悉的Scott Dodelson）。第二次，换了授课老师后，克劳泽依旧得了个C。无奈之下，他只好再学了第三遍才通过。后来克劳泽听说自己的师爷汤斯当年学习量子力学也重修了两遍，立马就释然了。

虽然哥伦比亚大学物理系虐克劳泽千百遍，克劳泽却对其爱如初恋，觉得和自己读本科的小小的加州理工学院相比，哥伦比亚大学简直就是高大上的理论物理和实验物理的天堂，大腕儿云集、充满活力。论理论物理，加州理工有费曼，而哥伦比亚有李政道，克劳泽认为李政道是他遇到的最聪明的几个人之一，比费曼聪明多了（克劳泽因为和费曼在一些量子力学基本问题上看法相左，对费曼不甚喜欢）。

论实验物理，哥伦比亚更是群星璀璨，不少是当时和后来的诺贝尔奖得主，比如库施、拉比、拉姆齐、兰姆、莱德曼和丁肇中，当然还有无冕之王吴健雄。克劳泽特别提及吴健雄和合作者首先利用电子偶素衰变制备出了量子纠缠，只是当时没人意识到其和爱因斯坦-波多尔斯基-罗森（EPR）佯谬的联系。

在克劳泽心目中 [1] ，对他影响最大的人是他的父亲（冯∙卡门的学生，钱学森的师兄）、撒迪厄斯，还有汤斯。他与后两者的结缘归根到底源自天文。与此同时，他还和一众牛人有各式交集，真是始料未及。好了，花絮和八卦就此打住，对于天文领域未来的诺贝尔奖，咱们翘首以待。

• 作者简介

郑政，1996年于北京大学地球物理系天体物理专业本科毕业，1999年中国科学院北京天文台硕士，2004年于美国俄亥俄州立大学获得博士学位。曾在普林斯顿高等研究院和耶鲁大学进行博士后研究工作，现为犹他大学物理和天文系教授。研究兴趣广泛，主要方向为宇宙学，宇宙大尺度结构，以及星系形成和演化。

• 参考文献

[1] Interview of John Clauser by Joan Bromberg on 2002 May 20, Niels Bohr Library & Archives, American Institute of Physics, College Park, MD USA,

www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/25096

[2] Patrick Thaddeus, https://en.wikipedia.org/wiki/Patrick_Thaddeus

[3] Dame, T. (2017). “Patrick Thaddeus”, Nature Astronomy , 1, 0170. https://www.nature.com/articles/s41550-017-0170

[4] Penzias, A. A. & Wilson, R. W. (1965). “A Measurement of Excess Antenna Temperature at 4080 Mc/s.”, The Astrophysical Journal , 142, 419–421. doi:10.1086/148307.

[5] McKellar, A. (1941). “Molecular Lines from the Lowest States of Diatomic Molecules Composed of Atoms Probably Present in Interstellar Space”, Publications of the Dominion Astrophysical Observatory Victoria , 7, 251.

[6] Thaddeus, P. & Clauser, J. F. (1966). “Cosmic Microwave Radiation at 2.63 mm from Observations of Interstellar CN”, Physical Review Letters , 16, 819–822. doi:10.1103/PhysRevLett.16.819.

[7] Field, G. B. & Hitchcock, J. L. (1966). “Cosmic Black-Body Radiation at λ=2.6 mm”, Physical Review Letters , 16, 817–818. doi:10.1103/PhysRevLett.16.817.

[8] Roll, P. G. & Wilkinson, D. T. (1966). “Cosmic Background Radiation at 3.2 cm - Support for Cosmic Black-Body Radiation”, Physical Review Letters , 16, 405–407. doi:10.1103/PhysRevLett.16.405.

[9] Bortolot, V. J., Clauser, J. F., & Thaddeus, P. (1969). “Upper Limits to the Intensity of Background Radiation at λ=1.32, 0.559, and 0.359 mm”, Physical Review Letters , 22, 307–310. doi:10.1103/PhysRevLett.22.307.

[10] Charles H. Townes, https://en.wikipedia.org/wiki/Charles_H._Townes

[11] Lacy, J. H., Townes, C. H., & Hollenbach, D. J. (1982). “The nature of the central parsec of the Galaxy”, The Astrophysical Journal , 262, 120–134. doi:10.1086/160402.

[12] Interview with Reinhard Genzel, March 2021, https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2020/genzel/168955-genzel-interview-march-2021/

[13] Nobel laureate and laser inventor Charles Townes dies at 99, https://news.berkeley.edu/2015/01/27/nobel-laureate-and-laser-inventor-charles-townes-dies-at-99/

[14] Clauser, J. F., Horne, M. A., Shimony, A., & Holt, R. A. (1970). “Proposed Experiment to Test Local Hidden Variable Theories.”, Physical Review Letters , 24, 549–549. doi:10.1103/PhysRevLett.24.549.

[15] Physics Nobel recognizes UC Berkeley experiment on ‘spooky action at a distance’, https://www.berkeleyside.org/2022/10/04/john-clauser-physics-nobel-uc-berkeley-stuart-freedman-spooky-action-at-a-distance

[16] N. David Mermin, “Shut up and calculate!”, https://en.wikipedia.org/wiki/N._David_Mermin

制版编辑｜Livan

欢迎关注我们，投稿、授权等请联系

[email protected]