被囚禁的光

( 美国佐治亚理工学院的一组研究人员正在调试仪器，准备做玻色－爱因斯坦凝聚态实验 )

在物理学中，有一些“教条”从未被打破过，因此仿佛有了一些神圣的意味在里面。狭义相对论规定，（真空中的）光速，是宇宙中所有的能量、物质和信息所能旅行的最快速度，光速在真空中大约为2.99792458亿米/秒，这个速度从来没有被打破过。但是狭义相对论所规定的是光速的上限，它对于光速的下限并没有限制，也就是说，在理论上，光速可以变慢。

真空中的光速难以突破，但是人类一直在尝试着尽量降低光速。光在一些介质（比如玻璃）中传播，它的速度会降低，人类一直希望把这个效果推向极致，试着使光传播的速度降低到可以与人们日常生活中的速度相仿。这种尝试不仅有理论上的意义，更具有实际意义，使光传播的速度尽量降低，在建设量子信息网络的过程中有重要作用。

2013年7月19日出版的《物理评论快报》（Physical Review Latters）杂志中，有一篇名为《通过电磁感应透明停止光线和存储图像达到一分钟》（Stopped Light and Image Storage by Electromagnetically Induced Transparency up to the Regime of One Minute）的论文，迅速吸引了全世界的关注。这篇论文的三个作者，乔治·海因策（Georg Heinze）、克里斯蒂安·胡布里希（Christian Hubrich）和托马斯·哈尔夫曼（Thomas Halfmann）都来自德国达姆斯特技术大学物理研究所，他们使在宇宙中以最快速度穿梭的光线，完全停止了长达一分钟之久。这个了不起的成就在受到全世界的关注和赞誉之余，也使量子信息网络更加接近现实。

乔治·海因策和他的同事们不仅使光线完全停止，而且还在传输的光信号中存储了一个图像，在光线被停止继而再被释放后，实验人员仍然可以读取之前存储的图像的信息，这个技术使得人们通过量子光学技术远距离传输信息成为可能，因此对于量子信息网络的发展来说，这是一个里程碑式的成就，而实现这一目标的关键就在于电磁感应透明（Electromagnetically Induced Tras-parency）技术。

电磁感应透明技术，在非线性光学和量子信息科学中，尤其是在减慢、停止光线的实验中，都有极为重要的作用，因此它也是生产量子信息网络最重要的器件，量子存储器和量子中继器的关键技术。通过量子感应透明技术，可以使光线在温度较高的原子气体中存储上百微秒，而在温度极低的原子气体中，辅之以外加恒定磁场，则可以使光线停止一到十几秒的时间。

( 物理学家罗纳德·沃斯沃茨 )

让光线完全停止，固然是一个听上去非常神奇的成就，但是物理学家们为了实现这个目标，经历了10多年的探索。在1995年，来自麻省理工学院的德国物理学家沃尔夫冈·克特勒（Wolfgang Ketterle）、埃里克·康奈尔（Eric Cornell）和卡尔·威曼（Carl Wieman）一起，使用气态的铷原子在接近绝对零度的低温和极高的真空状态下，首次获得了玻色－爱因斯坦凝聚态（Bose-Einstein Condensate），物质在这种状态下，几乎全部原子都聚集到能量最低的量子态，形成一个宏观的量子状态。

玻色－爱因斯坦凝聚态物质的出现，使物理学家大幅度地降低光速成为可能。在1999年，来自哈佛大学的丹麦物理学家莉娜·豪（Lene Hau）利用钠原子形成的波色－爱因斯坦凝聚态，使一束激光在经过它的时候，与原子发生相互作用减速，速度降为大约每秒钟17米，这只相当于光速在真空中速度的1/2000万，是一个人们在日常生活中可以理解和接受的速度，一个高水平的自行车运动员都可以超过此时的光速！莉娜·豪生动且自豪地描述说：“你几乎可以摸到它。”这个实验成果，随后被发表在《自然》（Nature）杂志上。同样也是在1999年，另外一组科学家也利用极低温度下的铷和氦原子气体，实现了大幅降低光速的目标。

在把光速降低到了创纪录的17米/秒的两年后，物理学家们利用相似的手段，创造了一个新纪录。来自哈佛·史密斯尼航天物理学中心的物理学家罗纳德·沃斯沃茨（Ronald Walsworth）和他的同事米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）利用一束频率经过精心调试的控制激光，与同样经过精心准备的原子气体发生相互作用，使得这些原子处于一种所谓的“黑态”（Dark State），处在这种状态下的原子就无法像通常状态时一样吸收光子。之后，另一束激光进入原子气体，因为此时这些处于特殊状态的原子无法吸收光子，光子被“困在”原子气体中，并且改变了这些原子的状态，在激光中存储的信息就被转移到了原子气体中的原子状态中。第二束激光速度被降低的幅度取决于第一束控制激光的强度，因此，当实验人员关闭控制激光，第二束激光的速度就被完全降为零，而之后再度开启控制激光，第二束光线又重新开始运行。通过这种人们此前甚至不敢想象的技术手段，人们可以把光子的量子态存储到一个个原子中，使光线加载着信息从一个节点传递到另外一个节点。这个实验成果随后发表在《物理评论快报》杂志上。

在2013年1月，一组科学家成功地把光线停止的时间纪录从2秒提高到了16秒，而后不久，这个纪录就被乔治·海因策和他的同事们打破，延长到了一分钟。来自英国圣安德鲁斯大学的物理学家托马斯·克劳斯（Thomas Krauss）评论说，“一分钟是极长极长的时间”。

在乔治·海因策和他的同事们所进行的实验中，他们也是利用电磁感应透明技术，在极低的温度下，首先利用一个经过调制的控制激光，照射一个长度为3毫米的不透明的晶体，光子与晶体中的原子发生相互作用后，使晶体中的原子处于一种量子叠加态，晶体性质也随之发生变化，它对于某一个频率的光线变得透明。这时，另一束经过调试、处于特殊频率的激光进入了这个晶体，实验者这时关闭了控制激光，第二束在晶体内部的激光就被困在变为不透明的晶体中，无法逃脱，因此这束激光的速度被降为零。被困在晶体中的光子没有其他地方可以去，这些光子的能量只能被晶体中的原子吸收，因此，在光线中存储的信息也被转变为晶体原子的原子态。

实验者在第二束的光线中存储了一个图像（三个横条纹），在长达一分钟后，控制激光重新开启，被困住长达一分钟的光重新“获得自由”，从晶体原子中释放出来，被实验者捕获，然后重新获得了之前存储在其中的图像。图像虽然随着光线被困时间变长而逐渐变得模糊，但是仍然保持了很强的分辨率。

乔治·海因策和他的同事们认为，对于他们目前使用的晶体来说，在外加磁场的帮助下，困住光线长达一分钟已经接近这种晶体材料的“物理极限”，但是对于其他类型的晶体，光速被降为零的时间还可以进一步延长。利用这种技术，物理学家们不但大大推进了研究量子信息网络的进程，同时，还可以使物理学家们探索，能否使在真空中的光速突破目前2.99792458亿米/秒的极限。

抛开这个实验的一切意义，单是“使光线停止”的结果，就已经具有一种独特的浪漫情调，可以使人充满想象。在宇宙中穿梭于时间和空间的光被人们所束缚，这是只有科学才能够带给人类的超越想象力的独特感受。（文 / 苗千） 囚禁