2018年，諾貝爾物理學獎授予了光鑷和啁啾脈衝放大的發明；

2017年，諾貝爾物理學獎授予了引力波的直接探測；

2014年，諾貝爾化學獎授予了超解析度熒光顯微鏡的研製；

……

在1958-2018年間，有十幾項諾貝爾獎的背後，都離不開一個關鍵詞：鐳射。

1960年5月16日，西奧多·梅曼（Theodore Maiman）在實驗室中首次展示了紅寶石鐳射器，創造出了第一個人造相干光源。同年8月，他將成果發表在《自然》雜誌上。在題為《紅寶石中的受鐳射輻射》的文章中，僅包含了兩張簡單的圖和不到300的字數。梅曼的實驗是建立在阿瑟·肖洛（Arthur Schawlow）和查爾斯·湯斯（Charles Townes）的理論基礎上，而他們的理論則是受到了阿爾伯特·愛因斯坦關於受鐳射發射的理論工作的啟發。

今天，鐳射的應用已經幾乎融入在了我們生活中的方方面面：它可以矯正人類的視力、讀取貨品上的條形碼、蝕刻電腦晶片、傳輸來自月球的影片檔案、幫助駕駛自動駕駛汽車……然而，即便已經過去60年，這種光源仍在為科學提供的想象空間。來自兩個物理學團隊的研究，為鐳射的重新設計帶來了新的可能。

相干性，是鐳射的一個重要性質。相干性也可理解為光子的“同步性”，這種同步性持續的時間越長，光的單色性就越強。而光的顏色與光子的波長相對應，例如，綠光的波長大約在500~550奈米之間。若要讓多個光子長時間維持同步，它們的波長必須非常精確地排列。

鐳射的相干性，決定了鐳射束在執行各種精密任務時的能力。例如世界上最精確的計時裝置光學晶格鍾，就是依賴了鐳射的這一特性才得以存在。1958年，肖洛和湯斯提出了鐳射理論，對一個理想鐳射器的相干時間進行了預計。他們計算了鐳射相干性的上限，認為光子的鐳射相干性受限於盒子內的光子數量的平方。這個極限被物理學家稱為肖洛-湯斯極限。

一直以來，物理學家都將這個極限視為鐳射物理學中的一條“金科玉律”，直到兩項新研究的出現。

在這兩項研究中，其中一篇是由澳大利亞格里菲斯大學的物理學家Howard Wiseman所領導的團隊所完成的。另一篇論文是由匹茲堡大學的物理學家David Pekker所領導的團隊發表的。他們分別用不同的方法表明，肖洛-湯斯極限並非終極極限，鐳射的相干性可能比肖洛和湯斯所認為的要高得多。這樣的結果顛覆了這一持續了60年的對鐳射極限的認知。

這兩個團隊都意識到，肖洛-湯斯極限是建立在一些關於鐳射的假設之上，而這些假設已經不再正確。在肖洛和湯斯的認知裡，從鐳射中流出的光子，就像從水桶上的洞中流出的水流一樣，桶越滿，水流得越快，反之亦然。但是Wiseman和Pekker都發現，如果在鐳射器上放置一個“閥門”來控制光子流動的速率，實際上是可以使鐳射器的相干時間比肖洛-湯斯極限長得多。

Wiseman和他的同事將論文發表在了《自然-物理》雜誌上。在他們的研究中，他們將這些能控制光子的“閥門”納入考量，然後重新估算了理想鐳射器的相干時間極限，推匯出相干性的上限正比於鐳射中光子數量的四次方，並最終證明了他們所得的極限是終極量子極限，或者說是海森堡極限，是量子力學所能允許的最好結果。

Pekker的論文目前仍在評審中。他與同事採用了一個略微不同的方法來研究這一極限。經過計算，他們得出相干性的上限正比於鐳射中的光子數量的三次方。現在，他們正在計劃利用超導裝置來建造這樣一種微波鐳射。

不過，建造這樣的鐳射器在目前來說顯然是一項非常困難的任務。有物理學家指出，Wiseman和Pekker的突破更多的是一種理論上的進步，而非實際工程上的。但Pekker認為，在實際操作中，建造“海森堡極限”鐳射器絕非是一個遙不可及的夢想，他們已經擁有了建造這樣一個裝置所需的工具和知識。或許經過數年的努力，鐳射領域就會出現新的驚喜。

值得一提的是，這Wiseman和Pekker所提出的這兩種關於鐳射器的新設計，不僅有望掀起一場關於鐳射器的設計和效能的革命，還將帶來對於“鐳射是什麼”這一根本性問題的重新思考。這是因為，新提出的鐳射器不需要透過所謂的受激輻射發光。從這一點來看，鐳射的概念已經超越了它的名字，未來，它將不再僅僅是“透過受激輻射而放大發出的光”。

附錄：鐳射簡史

#創作團隊：

文字：小雨

設計：嶽嶽

https://www.nature.com/articles/s41567-020-01049-3?proof=t

https://arxiv.org/abs/2009.03333