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  億興娛樂-億興注冊【官網注冊】我們能夠一起唱歌跳舞、齊步行進、齊聲鼓掌,我們認為這些都是理所當然的。同步是我們的第二天性。但正因為它來得如此容易,所以我們對它的實際需求的了解卻很少。它似乎至少需要低水平的智能、調整行動時間的能力以及預料他人行動的能力。這就是為什么關于成千上萬的螢火蟲一齊閃光的報道多年來引起了廣泛質疑,以及為什么蟋蟀的合唱、雄性招潮蟹的引誘策略(對著雌蟹一齊揮舞巨大的蟹螯)讓我們印象深刻的原因。
 
  這些有生命體的同步偉業總是可以歸因于進化的奇跡,歸因于數百萬年的自然選擇的魔法。正是在這種情況下,我們可以清晰地看到惠更斯意外發現之中的震驚之處。
 
  惠更斯的擺鐘沒有生命。無意識、無生命的事物也可以自發同步。
 
  時鐘的同步告訴我們,同步的能力不依賴于智能、生命及自然選擇。它源于最深刻的萬物之源:數學和物理定律。
 
  這個洞見催生了同步科學的大繁榮。例如,如果沒有同步,我們就不會有激光眼科手術、CD播放器、超市結賬掃描儀以及我們身邊其他需要激光的物品。激光高強度、高相干性、針尖一般的光束是數以萬億計的原子同步發射光波的結果。這些原子與普通燈泡中的原子沒有區別,關鍵在于它們的配合方式。與不同顏色和不同相位的普通光不同,激光只有一種顏色和相位,就像一支合唱團正在演唱同一個音符。激光可以達到極高的強度(盡管不必如此);可以在狹窄的光束中前進;可以聚焦在一個微小的點上。與之相反,普通光只能以高昂的能量成本為代價達到極高的強度;四散傳播,并迅速衰減;很難匯聚。激光所有的優點使得它易于控制和操作。例如,激光手術可以讓能量聚集到一點,它比所有外科手術刀都更小巧,因此可以接觸到其他手段難以接近的病變組織。此外,激光手術失血量更小,因為可以瞬間凝血;激光在切割的同時還可以對創口進行燒灼消毒。
 
  在激光發明后的很多年里,沒人知道該用它做什么。有些人開玩笑將激光的用途描述為一個正在尋找的答案。然而,這個基礎研究的新生兒誕生于人類對光波同步的純粹好奇,如今已成為我們這個時代最通用的設備之一,它的應用沒有人可以預見。在慶祝激光誕生40年的聚會上,1981年諾貝爾物理學獎的共同獲得者阿瑟·肖洛(Arthur Schawlow)(9)回憶道:
 
  我們認為它可能有一些通信和科學用途,卻并不知道可以應用到哪里。如果有,也一定是受到了阻礙,沒能成功實現……可以用于醫療是很好的。你們中的一些人可能聽到我以前說過:雖然報紙上有很多關于死亡射線的談話,但據我所知,還沒有任何真正的死亡射線。激光的首個應用是視網膜手術,預防視網膜脫落導致的失明。我和湯斯都未聽說過不用激光進行的視網膜手術,如果有的話,那么我們也許就不會下功夫研究原子受激發射了。
 
  “原子受激發射”是激光的工作原理。但我有點兒不好意思承認,我已經對自己解釋了十幾次,但這些解釋似乎都沒能產生作用。所有關于原子激發和粒子數反轉的言論都是耳邊風,是徘徊了幾秒鐘的模糊認識,隨后便一掃而過。我一直希望找到一個對我來說有意義的簡單比喻,使我能夠更簡單地想象和記憶,現在我認為自己終于想出了一個比喻,但這個比喻相當瘋狂。如果你對激光有所了解,或并不在乎激光的工作原理,那么可以直接跳到下一節。
 
  試想一下,你早上醒來,發現自己在一個陌生的星球上,除了一個西瓜和一個凳子外空無一物。你很好奇凳子是干什么用的,你猜了猜,把西瓜放了上去。西瓜不可思議地顫動起來,在凳子上躁動不安。它幾乎立即滾了下來,墜落到地面上。在落地的瞬間,西瓜會噴射出一粒種子,像子彈一樣朝任意方向飛出。
 
  到目前為止,我所描述的是普通光產生方式的一種比喻。例如,你打開烤箱,看到線圈發出明亮的紅光。其中發生的事情是,電流流過線圈,將它加熱。熱量將線圈中的原子提升到了更高的能量水平,這就是把西瓜放在凳子上所象征的意義。在很短的時間里,每個被加熱的原子自發地回落到其最低能量水平,即它的“基態”,并發射一個光子(光的粒子)來釋放多余的能量,這個過程被稱為“自發輻射”。這就像是躁動不安的西瓜滾下凳子,射出一粒種子。因此,熱線圈發紅光是因為它的激發態原子自發輻射出了大量紅色光子。
 
  隨著你繼續探索這個星球,你很快就會來到廣闊領域的邊緣,成千上萬的西瓜躺在地上,每個西瓜旁邊都放著凳子。這引發了一種有趣的可能性猜測:如果一發種子子彈擊中了另一個西瓜會發生什么情況?讓我們開始行動,舉起一個西瓜,放在凳子上。它迅速掉落,并朝隨機方向發射一粒種子,種子碰巧擊中了地上的另一個西瓜。被擊中的西瓜一下跳上了自己的凳子,隨后開始在凳子上顫動,不久后又掉下來發射了自己的種子,方向也是隨機的。這是一個驚人的景象,一粒種子觸發另一個西瓜跳上凳子,然后落下來……通過舉起最初的西瓜,你無意間開啟了一個連鎖反應,反應很弱、不會爆發:它的規模始終保持在一粒種子飛在空中的狀態。如果有一粒種子沒能擊中西瓜,飛到了其他地方,這個過程便會完全停止。
 
  這個連鎖反應很有趣,但它并不是對于激光的比喻。它無法使光增強,無法增加空中的光子數量。還有一個物理圖景我們尚未考慮:如果一粒種子擊中的不是靜靜躺在地上的西瓜,而是擊中了一個在凳子上搖搖欲墜的西瓜會怎樣?為了找尋問題的答案,我們可以同時把很多西瓜舉起來放到凳子上,在它們中的任何一個掉落之前迅速跑開,然后站在一旁觀看。終于,有一個西瓜掉落,發射了一粒種子,擊中了另一個搖搖欲墜的西瓜。(這種概率很高,因為我們之前把很多西瓜放到了凳子上。)接下來發生的事情令人驚訝,射入的種子并沒被吸收,而是直接射穿了西瓜,它的飛行路徑也沒有發生改變;更不可思議的是,現在它在和另一粒與它完全相同的種子一起運動,二者步調一致。就如同先前射入的種子已經被克隆一般,之前是有一粒種子在朝那個方向飛行,而現在有兩粒。
 
  這就是激光背后的關鍵過程,被稱為“受激發射”,你可以看到,它提供了一種增加沿著特定路線飛行的光子數的方法。每一次,一個光子撞擊一個被激發的原子,光子就會進行自我復制,放大該方向上的光量,這正是激光的英文LASER首字母縮寫代表的含義:受激輻射光放大(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)。輻射是被激發的,而不是自發的,因為射入的光子引發了激發態的原子射出新的光子。
 
  最重要的是,發射的光子與衍生的光子是無法區分的。如果你認為這些光子不是粒子,而是一種微小的光波,那么它們就是完全同步的。它們所有的波峰和波谷都是一致的,這意味著它們攜帶著相同顏色的光,處于同一方向和同一相位。
 
  沒有常識性的方法可以理解受激發射是如何形成的,或者說為什么新的光子會是舊光子的副本,這種現象是量子力學奇特邏輯的結果,原子和亞原子世界中的物理學會打破我們日常生活中的直覺。1917年,愛因斯坦發現了受激發射在理論上的必然性,后來人們又花了43年時間才想出如何利用這一原理創造出第一道激光。
 
  事實上,僅有受激發射還不夠;激光的形成還依賴于其他兩個關鍵因素。首先,我們必須找到一種方法,讓大多數西瓜在大部分時間里都待在凳子上,因為它們是唯一能引起受激發射的對象。地面上的西瓜毫無用處。這意味著我們要花費很多能量,因為每發生一次受激發射西瓜就會落地。這個不斷把西瓜舉回凳子上的過程被稱為“抽吸”激光,目的是產生“粒子數反轉”,這個過程主要取決于你使用的激光類型,我們可以通過加熱原子、用閃光燈照射原子或向原子放電來一齊激發它們。注入的能量會使粒子數反轉,從這個意義上講,它將很大一部分原子從它們偏愛的基態提升到了更高的能級。
 
  其次,我們需要找到一種使光增強并創造在唯一方向運動的窄光束的方法。二者都可以通過把原子放在光的回音室中實現,物理學家把回音室稱為“共振腔”。管風琴是聲音的共振腔,吉他的琴身也是,它們可以把琴弦微弱的震動增強使之成為樂器完整的聲音。激光的共振腔也做著相同的事情,不同的是,它處理的是光波。我們取一個長薄玻璃管,用適當的原子或分子氣體填充它;或取一個實心的紅寶石棒……總之有許多方法可以用于制造激光。然后,把鏡子放在兩端,按下開關開始抽吸激光(舉起那些西瓜)。接著,自發射開始啟動連鎖反應。需要注意的是,那些最初的光子是朝隨機方向射出的。當它們觸發后續的受激發射過程時,那些最初的光子便會克隆自己,但因為它們仍然運動在初始時的隨機方向上,它們中的許多會撞上管壁被吸收掉,因此它們對激光沒有貢獻。換句話講,這些方向現在都已被巧妙地過濾掉了。只有在鏡子之間來回反彈的光子幸存了下來。它們不僅幸存了下來,而且還會增殖。每經歷一次反彈,它們都會產生越來越多的完美副本,從而加強它們的光,并創造出由完美的同步光子組成的壯麗光束。為了使其中的一些光射出來,我們應讓其中一面鏡子的反射率略小于100%,于是,射出來的一小部分同步光就是我們看到的激光束。
 
  最核心的謎團就在這里:為什么新創建的光子總是與那些制造它們的舊光子同步呢?這個問題在下一章我們深入了解量子領域的同步時將會再次出現。

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