2022年諾貝爾物理學獎獲得者約翰∙克勞澤|圖片來源：https://www.johnclauser.com/
導讀：
2022年的諾貝爾物理學獎得主約翰∙克勞澤（John F. Clauser），在其學生階段中，兩次量子力學考試都只得了C，第三次考試才透過
。但在其職業生涯中，先是研究天體物理獲得了物理學博士學位，後又著迷量子力學基本問題，終因實驗檢測貝爾不等式和量子纏結領域的貢獻而獲得諾貝爾獎。
近些年來，諾貝爾物理學獎被接二連三地授予了天文相關領域的研究。例如：2017年的重力波探測，2019年的物理宇宙學研究和太陽系外行星探測，還有2020年的黑洞理論研究和銀河系中心大質素致密天體（黑洞）觀測，就連天文同行們都感覺應接不暇了。
幸好，2022年的諾貝爾物理學獎花落量子力學領域，而非天文領域。不過且慢，要讓天文學徹底消失談何容易，天文還就偏要湊個熱鬧、擦個邊兒：2022年諾貝爾獎得主之一約翰∙克勞澤（John Clauser）因實驗檢測貝爾不等式和量子纏結等領域的先驅性工作而獲獎，但鮮有媒體提及的是，克勞澤博士期間的工作並非是量子纏結，而是天體物理方向——關於宇宙微波背景輻射的測量
[1]。對於這個鮮為人知的趣聞，我們在此權作花絮一聊吧。
圖1：量子纏結和天文的神奇聯系，2022年諾貝爾物理學獎得主克勞澤的天雲絲緣|圖片來源：Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences+ESA/Planck Collaboration，作者略作補充和調整。
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博士期間情牽天體物理
1964年，在加州理工學院結束本科學業後，克勞澤赴哥倫比亞大學物理系攻讀研究生，其博士論文導師是柏德烈∙撒迪厄斯（Patrick Thaddeus[2,3，見圖2]）。在哈佛-史密松天體物理中心（CfA）學習和工作過的天文同行們也許對撒迪厄斯並不陌生，他在1980年代建造了CfA 1.2米口徑的毫米波望遠鏡並轉到哈佛任教，其著名工作是銀河系的CO（一氧化碳）分子巡天。
圖2：柏德烈∙撒迪厄斯，克勞澤在哥倫比亞大學物理系攻讀博士學位時的導師。圖片來源：Nature Astronomy
在哥倫比亞大學，克勞澤曾詢問撒迪厄斯有什麽研究課題，撒迪厄斯說其正準備在U2高空偵察機上放架射電望遠鏡進行觀測。克勞澤立刻就被這麽酷的想法吸引了，決定師從撒迪厄斯。不過，這個專案並沒有真正實施，而克勞澤最後跟隨撒迪厄斯所做的課題，是透過觀測背景恒星光學光譜上的星際分子吸收線來測量宇宙微波背景輻射
[1]。
宇宙早期曾處於一個極高溫度、極高密度的輻射占主導的狀態，光子輻射場本身達到熱平衡，其光譜接近完美的黑體譜。隨著宇宙的膨脹，光子發生紅移，能量降低，相應的光子輻射場溫度隨之降低，但依然保持黑體譜
。時至今日，這一源自宇宙早期的光子輻射場溫度已經降低到2.73K（對應零下270.42攝氏度），其峰值波長已經紅移到毫米波段，被稱之為宇宙微波背景輻射。1965年，貝爾實驗室的彭齊亞斯（Arno Penzias）和韋遜（Robert Wilson）意外地從射電觀測上發現了微波背景輻射[4]，為大爆炸宇宙學提供了堅實有力的觀測證據，兩人也因此榮獲1978年的諾貝爾物理學獎。
宇宙的膨脹（由勒梅特和哈伯於1920年代末發現）、宇宙微波背景輻射，還有宇宙的加速膨脹（1990年代末發現；珀爾馬特、施密特和裏斯因此榮獲2011年諾貝爾物理學獎）可謂是二十世紀最重要的宇宙學發現。宇宙微波背景輻射是如此重要，2006年的諾貝爾物理學獎授予了對其黑體譜的精確測量以及其空間分布輕微各向異性的發現（馬瑟和斯穆特）。如今，微波背景輻射的各向異性已經成為了限制宇宙學模型和探索極早期宇宙的利器
，對其的觀測方興未艾。
克勞澤跟隨撒迪厄斯做研究的時候，人們對微波背景輻射的觀測剛剛起步。他們的課題實際上要追溯到1941年加拿大天文學家麥凱勒（Andrew McKellar）對星際CN（氰基自由基）分子吸收線的研究[5]。麥凱勒觀測到兩條CN分子轉動能階吸收線
（波長3870.0埃和3870.6埃，1埃=0.1納米），兩者的相對強度對應CN分子在兩個能階的相對分布
，他透過計算發現產生該相對分布所需的激發溫度大約在2.3K左右，而他在當時並不知其所以然。
後來，克勞澤1966年發表的第一篇論文[6]就是和撒迪厄斯對CN分子這兩條吸收線又進行了觀測，並得到了轉動激發溫度3.75±0.50K。更重要的是，他們指出這相當於在波長2.63毫米（對應兩條線的能階差）對微波背景輻射的測量（圖3）。他們之所以把這項工作和微波背景輻射聯系起來是聽從了伍爾夫（Neville Woolf）的建議。當然，撒迪厄斯和克勞澤還討論了其他可能性（比如碰撞激發），發現在合理的天文環境中，來自微波背景輻射的激發起到了絕對主導的作用
。同時，他們還利用另外的CN分子吸收線和CH（次甲基自由基）分子吸收線在更短波長處給出了微波背景輻射強度的上限。
圖2：撒迪厄斯和克勞澤1966年論文的插圖[6]。上圖顯示了恒星𝜁 Ophiuchi光譜上星際CN分子的兩條吸收線（橫軸是波長，縱軸是流量）。下圖是據此得到的宇宙微波背景輻射在2.63毫米的強度，還包括了1965年和1966年其他幾組最早對微波背景輻射的測量，曲線是溫度為3K的黑體輻射譜。
同一時期，菲爾德（George Field）和希區柯克（John Hitchcock）也根據CN分子吸收線的觀測得到了類似結果[7]，他們的論文以及撒迪厄斯和克勞澤的論文背靠背發表在了同一期【物理評論快報】[6,7]。這樣一來，麥凱勒的觀測終於在25年之後得到了合理的解釋，也就是說宇宙微波背景輻射實際上在1941年就被間接發現了
。
撒迪厄斯和克勞澤以及菲爾德和希區柯克於1966年在2.63毫米對微波背景輻射的測量，是繼韋遜和彭齊亞斯於1965年在7.35厘米波段發現微波背景輻射[4]、普林斯頓大學的羅爾和威爾金森於1966年在3.2厘米波段的觀測[8]之後最早的一批測量（圖3）。克勞澤1969年參與的第二篇論文是在更短的波長對微波背景輻射的強度進行限制
[9]。筆者翻看了這學期給研究生講宇宙學課準備的投影片，其中對微波背景輻射研究歷史的回顧裏赫然列有撒迪厄斯和克勞澤的名字，只是之前從未意識到彼克勞澤乃此克勞澤。現在看來，新科諾獎得主、量子力學大牛竟然在學術生涯早期對宇宙微波背景輻射的測量做出了貢獻。嗯，下節課可以順便給學生八卦一下。
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迷上貝爾不等式
博士畢業後，克勞澤去了加州柏克萊分校和勞倫斯柏克萊國家實驗室，到師爺卓思∙湯斯（Charles Townes[10]，見圖4）那裏進行博士後研究。這裏要插幾句有關湯斯的介紹，他1950年代任職哥倫比亞大學，曾是物理系系主任，期間發明了微波波段的激光（Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation，maser，中文譯為脈澤），從而獲得了1964年的諾貝爾物理學獎。後來湯斯的研究興趣發生轉移，覺得天體物理領域大有可為，便開始鼓動他的學生們做天文研究，這其中就包括撒迪厄斯
，還有後來和韋遜共同發現微波背景輻射的彭齊亞斯。
圖4：卓思∙湯斯在加州大學柏克萊分校物理系的辦公室（2013年）。圖片來源：UC Berkeley[13]
湯斯自己於1967年加盟柏克萊後就專註於天體物理研究。他的課題裏當然包含和他心愛的脈澤有關的天文研究，也就是觀測星際介質和天體產生的脈澤。另外，在1970年代末，他的研究組對銀河系中心進行了紅外觀測，發現了高速旋轉的氣體，預示著中心存在一個三百萬倍太陽質素的天體，他們的結論是黑洞
[11]，這應該是銀河系中心大質素黑洞最早的觀測線索了。2020年因為對銀河系中心大質素黑洞的觀測研究分享諾貝爾物理學獎的根澤爾（Reinhard Genzel）曾在湯斯的研究組進行博士後研究，之後任職柏克萊，和湯斯共事多年，深受教益，視湯斯為影響其一生的人[12]。
湯斯的另外一項頗有影響的工作是設計建造紅外幹涉儀，對恒星的大小和形狀進行測量
。2006年，筆者在普林斯頓高等研究院做博士後期間，湯斯曾應邀到訪做了一個紅外天文方面的報告。雖然他用的是投影機和透明片，但九十一歲高齡的他身體硬朗、思路清晰，實在是不服不行。2008年，湯斯作為重量級嘉賓曾到北京參加紀念望遠鏡發明四百周年科學新視野活動。湯斯於2015年初去世，享年99歲，甚至直到去世前他還一直會去辦公室，真是工作到了生命最後一刻[13]。
說回克勞澤，師爺湯斯的本意是讓他做射電天文的研究，但當時的克勞澤卻迷上了貝爾不等式
[1]。去柏克萊之前，他已經在組織三個朋友（波士頓大學的Michael Horne和Abner Shimony，以及哈佛大學的Richard Holt）一起撰寫一篇論文，推廣貝爾不等式並提出一個實驗設計來檢測定域隱變量理論了。他聯系湯斯說想做這個實驗，還擔心柏克萊的康明斯（Eugene Commins）研究組會搶了先。湯斯只是告訴他讓他來了再說。
克勞澤愛好帆船運動，有一艘帆船，於是計劃從東海岸出發駕船南行至德薩斯上岸，再駕車到加州，最後沿西海岸駕船北上柏克萊。結果在佛羅裏達遇到了颶風，克勞澤提前結束了海上之旅。一路上，他每靠一岸到一地就會透過電話和信件與朋友們保持聯系，討論論文寫作，在船上的時候則忙裏偷閑修改稿件。克勞澤一到柏克萊就將論文投稿了，在這篇著名的、參照率極高的論文裏，他們提出了後來以四位作者首字母命名的CHSH不等式和對其進行檢驗的實驗設計[14]。
克勞澤在柏克萊做了一個相關的報告，湯斯對也在場的康明斯說他覺得還挺有意思，支持克勞澤獨立開展研究，還介紹了康明斯的一位研究生弗裏曼（Stuart Freeman）協助他。湯斯想了些點子，從非天文的經費利給克勞澤提供資助，加上克勞澤自己時不時在柏克萊分校講課掙點錢，基本沒有了後顧之憂。
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終獲導師認可
就這樣，克勞澤到柏克萊後壓根兒就沒做湯斯所預想的天文研究，而是租借了康明斯研究組的相關器材[15]，就開始和弗裏曼一門心思地撲在他設想的量子力學實驗上[1]。相比湯斯的開明，撒迪厄斯則持堅決反對的態度。雖然克勞澤從撒迪厄斯那裏學到了很多量子力學方面的知識，尤其是矩陣力學，還有如何寫出優秀的科學論文，但當克勞澤跟他聊到要用實驗檢測貝爾不等式時，撒迪厄斯非常幹脆地直斥他在純粹浪費時間自毀前程。
即使弗裏曼和克勞澤檢測貝爾（CHSH）不等式的實驗做出來以後，撒迪厄斯仍舊沒有改變看法，直接稱其工作為垃圾
（junk）。結果就如預期，意義何在？當時不少物理學家也有類似的反應，也許是因為「閉嘴，計算！」（「Shut up and calculate！」[16]）這一理念的影響，大家對量子力學的基本問題都避而不談，不太看重。在給克勞澤求職寫的推薦信裏，撒迪厄斯也毫不客氣，警告說如果克勞澤還是要利用各種機會做這種垃圾科學的話，就不要雇用他。不過後來撒迪厄斯給克勞澤道歉了，他終於意識到克勞澤的工作還是蘊含著非常有意思的物理的[1]。
雖然克勞澤研究的是量子力學的基本問題，但是他當初學習量子力學可並非一帆風順
[1]。在哥倫比亞大學物理系，有幾門主課，研究生至少拿到B才能透過，其中一門就是高等量子力學。克勞澤先是跟範伯格（Gerry Feinberg）學了一學期的量子力學，結果得了個C（範伯格與拜因貝魯克和格拉肖是高中同學，李政道的學生，他自己的學生裏也有宇宙學同行們熟悉的Scott Dodelson）。第二次，換了授課老師後，克勞澤依舊得了個C。無奈之下，他只好再學了第三遍才透過
。後來克勞澤聽說自己的師爺湯斯當年學習量子力學也重修了兩遍，立馬就釋然了。
雖然哥倫比亞大學物理系虐克勞澤千百遍，克勞澤卻對其愛如初戀，覺得和自己讀本科的小小的加州理工學院相比，哥倫比亞大學簡直就是高大上的理論物理和實驗物理的天堂，大腕兒雲集、充滿活力。論理論物理，加州理工有費曼，而哥倫比亞有李政道，克勞澤認為李政道是他遇到的最聰明的幾個人之一，比費曼聰明多了
（克勞澤因為和費曼在一些量子力學基本問題上看法相左，對費曼不甚喜歡）。
論實驗物理，哥倫比亞更是群星璀璨，不少是當時和後來的諾貝爾獎得主，比如庫施、拉比、藍斯、蘭姆、萊德曼和丁肇中，當然還有無冕之王吳健雄。克勞澤特別提及吳健雄和合作者首先利用正子電子偶衰變制備出了量子纏結
，只是當時沒人意識到其和愛因斯坦-普度斯基-羅森（EPR）佯謬的聯系。
在克勞澤心目中[1]，對他影響最大的人是他的父親（馮∙卡門的學生，錢學森的師兄）、撒迪厄斯，還有湯斯。他與後兩者的結緣歸根到底源自天文。與此同時，他還和一眾牛人有各式交集，真是始料未及。好了，花絮和八卦就此打住，對於天文領域未來的諾貝爾獎，咱們翹首以待。
來源：賽先生
編輯：雪影
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參考文獻：
[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
