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  亿兴娱乐-亿兴注册【官网注册】我们能够一起唱歌跳舞、齐步行进、齐声鼓掌,我们认为这些都是理所当然的。同步是我们的第二天性。但正因为它来得如此容易,所以我们对它的实际需求的了解却很少。它似乎至少需要低水平的智能、调整行动时间的能力以及预料他人行动的能力。这就是为什么关于成千上万的萤火虫一齐闪光的报道多年来引起了广泛质疑,以及为什么蟋蟀的合唱、雄性招潮蟹的引诱策略(对着雌蟹一齐挥舞巨大的蟹螯)让我们印象深刻的原因。
 
  这些有生命体的同步伟业总是可以归因于进化的奇迹,归因于数百万年的自然选择的魔法。正是在这种情况下,我们可以清晰地看到惠更斯意外发现之中的震惊之处。
 
  惠更斯的摆钟没有生命。无意识、无生命的事物也可以自发同步。
 
  时钟的同步告诉我们,同步的能力不依赖于智能、生命及自然选择。它源于最深刻的万物之源:数学和物理定律。
 
  这个洞见催生了同步科学的大繁荣。例如,如果没有同步,我们就不会有激光眼科手术、CD播放器、超市结账扫描仪以及我们身边其他需要激光的物品。激光高强度、高相干性、针尖一般的光束是数以万亿计的原子同步发射光波的结果。这些原子与普通灯泡中的原子没有区别,关键在于它们的配合方式。与不同颜色和不同相位的普通光不同,激光只有一种颜色和相位,就像一支合唱团正在演唱同一个音符。激光可以达到极高的强度(尽管不必如此);可以在狭窄的光束中前进;可以聚焦在一个微小的点上。与之相反,普通光只能以高昂的能量成本为代价达到极高的强度;四散传播,并迅速衰减;很难汇聚。激光所有的优点使得它易于控制和操作。例如,激光手术可以让能量聚集到一点,它比所有外科手术刀都更小巧,因此可以接触到其他手段难以接近的病变组织。此外,激光手术失血量更小,因为可以瞬间凝血;激光在切割的同时还可以对创口进行烧灼消毒。
 
  在激光发明后的很多年里,没人知道该用它做什么。有些人开玩笑将激光的用途描述为一个正在寻找的答案。然而,这个基础研究的新生儿诞生于人类对光波同步的纯粹好奇,如今已成为我们这个时代最通用的设备之一,它的应用没有人可以预见。在庆祝激光诞生40年的聚会上,1981年诺贝尔物理学奖的共同获得者阿瑟·肖洛(Arthur Schawlow)(9)回忆道:
 
  我们认为它可能有一些通信和科学用途,却并不知道可以应用到哪里。如果有,也一定是受到了阻碍,没能成功实现……可以用于医疗是很好的。你们中的一些人可能听到我以前说过:虽然报纸上有很多关于死亡射线的谈话,但据我所知,还没有任何真正的死亡射线。激光的首个应用是视网膜手术,预防视网膜脱落导致的失明。我和汤斯都未听说过不用激光进行的视网膜手术,如果有的话,那么我们也许就不会下功夫研究原子受激发射了。
 
  “原子受激发射”是激光的工作原理。但我有点儿不好意思承认,我已经对自己解释了十几次,但这些解释似乎都没能产生作用。所有关于原子激发和粒子数反转的言论都是耳边风,是徘徊了几秒钟的模糊认识,随后便一扫而过。我一直希望找到一个对我来说有意义的简单比喻,使我能够更简单地想象和记忆,现在我认为自己终于想出了一个比喻,但这个比喻相当疯狂。如果你对激光有所了解,或并不在乎激光的工作原理,那么可以直接跳到下一节。
 
  试想一下,你早上醒来,发现自己在一个陌生的星球上,除了一个西瓜和一个凳子外空无一物。你很好奇凳子是干什么用的,你猜了猜,把西瓜放了上去。西瓜不可思议地颤动起来,在凳子上躁动不安。它几乎立即滚了下来,坠落到地面上。在落地的瞬间,西瓜会喷射出一粒种子,像子弹一样朝任意方向飞出。
 
  到目前为止,我所描述的是普通光产生方式的一种比喻。例如,你打开烤箱,看到线圈发出明亮的红光。其中发生的事情是,电流流过线圈,将它加热。热量将线圈中的原子提升到了更高的能量水平,这就是把西瓜放在凳子上所象征的意义。在很短的时间里,每个被加热的原子自发地回落到其最低能量水平,即它的“基态”,并发射一个光子(光的粒子)来释放多余的能量,这个过程被称为“自发辐射”。这就像是躁动不安的西瓜滚下凳子,射出一粒种子。因此,热线圈发红光是因为它的激发态原子自发辐射出了大量红色光子。
 
  随着你继续探索这个星球,你很快就会来到广阔领域的边缘,成千上万的西瓜躺在地上,每个西瓜旁边都放着凳子。这引发了一种有趣的可能性猜测:如果一发种子子弹击中了另一个西瓜会发生什么情况?让我们开始行动,举起一个西瓜,放在凳子上。它迅速掉落,并朝随机方向发射一粒种子,种子碰巧击中了地上的另一个西瓜。被击中的西瓜一下跳上了自己的凳子,随后开始在凳子上颤动,不久后又掉下来发射了自己的种子,方向也是随机的。这是一个惊人的景象,一粒种子触发另一个西瓜跳上凳子,然后落下来……通过举起最初的西瓜,你无意间开启了一个连锁反应,反应很弱、不会爆发:它的规模始终保持在一粒种子飞在空中的状态。如果有一粒种子没能击中西瓜,飞到了其他地方,这个过程便会完全停止。
 
  这个连锁反应很有趣,但它并不是对于激光的比喻。它无法使光增强,无法增加空中的光子数量。还有一个物理图景我们尚未考虑:如果一粒种子击中的不是静静躺在地上的西瓜,而是击中了一个在凳子上摇摇欲坠的西瓜会怎样?为了找寻问题的答案,我们可以同时把很多西瓜举起来放到凳子上,在它们中的任何一个掉落之前迅速跑开,然后站在一旁观看。终于,有一个西瓜掉落,发射了一粒种子,击中了另一个摇摇欲坠的西瓜。(这种概率很高,因为我们之前把很多西瓜放到了凳子上。)接下来发生的事情令人惊讶,射入的种子并没被吸收,而是直接射穿了西瓜,它的飞行路径也没有发生改变;更不可思议的是,现在它在和另一粒与它完全相同的种子一起运动,二者步调一致。就如同先前射入的种子已经被克隆一般,之前是有一粒种子在朝那个方向飞行,而现在有两粒。
 
  这就是激光背后的关键过程,被称为“受激发射”,你可以看到,它提供了一种增加沿着特定路线飞行的光子数的方法。每一次,一个光子撞击一个被激发的原子,光子就会进行自我复制,放大该方向上的光量,这正是激光的英文LASER首字母缩写代表的含义:受激辐射光放大(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)。辐射是被激发的,而不是自发的,因为射入的光子引发了激发态的原子射出新的光子。
 
  最重要的是,发射的光子与衍生的光子是无法区分的。如果你认为这些光子不是粒子,而是一种微小的光波,那么它们就是完全同步的。它们所有的波峰和波谷都是一致的,这意味着它们携带着相同颜色的光,处于同一方向和同一相位。
 
  没有常识性的方法可以理解受激发射是如何形成的,或者说为什么新的光子会是旧光子的副本,这种现象是量子力学奇特逻辑的结果,原子和亚原子世界中的物理学会打破我们日常生活中的直觉。1917年,爱因斯坦发现了受激发射在理论上的必然性,后来人们又花了43年时间才想出如何利用这一原理创造出第一道激光。
 
  事实上,仅有受激发射还不够;激光的形成还依赖于其他两个关键因素。首先,我们必须找到一种方法,让大多数西瓜在大部分时间里都待在凳子上,因为它们是唯一能引起受激发射的对象。地面上的西瓜毫无用处。这意味着我们要花费很多能量,因为每发生一次受激发射西瓜就会落地。这个不断把西瓜举回凳子上的过程被称为“抽吸”激光,目的是产生“粒子数反转”,这个过程主要取决于你使用的激光类型,我们可以通过加热原子、用闪光灯照射原子或向原子放电来一齐激发它们。注入的能量会使粒子数反转,从这个意义上讲,它将很大一部分原子从它们偏爱的基态提升到了更高的能级。
 
  其次,我们需要找到一种使光增强并创造在唯一方向运动的窄光束的方法。二者都可以通过把原子放在光的回音室中实现,物理学家把回音室称为“共振腔”。管风琴是声音的共振腔,吉他的琴身也是,它们可以把琴弦微弱的震动增强使之成为乐器完整的声音。激光的共振腔也做着相同的事情,不同的是,它处理的是光波。我们取一个长薄玻璃管,用适当的原子或分子气体填充它;或取一个实心的红宝石棒……总之有许多方法可以用于制造激光。然后,把镜子放在两端,按下开关开始抽吸激光(举起那些西瓜)。接着,自发射开始启动连锁反应。需要注意的是,那些最初的光子是朝随机方向射出的。当它们触发后续的受激发射过程时,那些最初的光子便会克隆自己,但因为它们仍然运动在初始时的随机方向上,它们中的许多会撞上管壁被吸收掉,因此它们对激光没有贡献。换句话讲,这些方向现在都已被巧妙地过滤掉了。只有在镜子之间来回反弹的光子幸存了下来。它们不仅幸存了下来,而且还会增殖。每经历一次反弹,它们都会产生越来越多的完美副本,从而加强它们的光,并创造出由完美的同步光子组成的壮丽光束。为了使其中的一些光射出来,我们应让其中一面镜子的反射率略小于100%,于是,射出来的一小部分同步光就是我们看到的激光束。
 
  最核心的谜团就在这里:为什么新创建的光子总是与那些制造它们的旧光子同步呢?这个问题在下一章我们深入了解量子领域的同步时将会再次出现。

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