發現自然之美 諾貝爾物理獎1966

1966 年的諾貝爾物理獎頒給法國物理學家阿弗烈德· 卡斯特勒（Alfred Kastler，1902-1984）。得獎理由是「發現和發展了研究原子中赫茲共振的光學方法」。這裡先簡單說明一下這個令人難以一目了然的得獎理由：在實驗室中，只要將某些原子發出的光投射到包含同種原子的腔室中，被這光照射的原子就會被這束光激發到更高的能階，當它回到與原來的能階相同能量的能階時，會發射與原先投射的光同樣波長的光，如此周而復始地吸收、放射就會形成共振。而所謂赫茲共振，是指原子與微波相互作用時產生的現象，微波是頻率至少比可見光低一千倍的電磁波。這個區段的電磁波相應的能量與元素光譜的超精細結構相當，超精細結構是一種非常小的能階結構，是由原子核的磁矩和電矩與電子交互作用而產生。因此，赫茲共振非常適合研究光譜中的超精細結構。卡斯特勒與他的團隊開發了所謂雙共振的新方法，能夠達到史無前例的精準結果。

阿弗烈德· 卡斯特勒

Alfred Kastler

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此外，卡斯特勒還開發了光學幫浦的技術，光學幫浦是一種使用光將電子從原子或分子中的較低能階提升（或“ 泵送”）到較高能階的過程。光學幫浦還用於將原子或分子內結合的電子循環地泵送到特定的量子態，並且造成與一般的波茲曼分布不同的粒子分布，也就是所謂的粒子數倒轉。粒子數倒轉是製造雷射是不可或缺的關鍵。既然發明雷射的三位物理學家在兩年前已經得到諾貝爾獎，卡特斯勒得獎是理所當然之事。

卡斯特勒於1902 年出生在阿爾薩斯一個叫Guebwiller 的小鎮，當時是在德意志帝國轄下，第一次世界大戰後簽訂的凡爾賽條約又將阿爾薩斯改歸法國。1921 年就讀於位於阿爾薩斯的科爾馬的Lycée Bartholdi，接著在巴黎高等師範學院就讀。完成學業後，1926 年開始在米盧斯中學教授物理，然後在科爾馬和波爾多中學。1931 年至1936 年在波爾多理學院擔任助理，1936 年至1938 年在克萊蒙費朗擔任講師，1938 年至1941 年在波爾多擔任教授。1941 年時他接受喬治· 布魯哈特（Georges Bruhat）的邀請到巴黎高等師範學院任教，並在1952 年成為講座教授，他在巴黎高等師範學院一直待到1968 年。卡斯特勒接著轉任國家科學研究中心的研究主任，從1968 年一直到1972 年退休為止。

阿弗烈德· 卡斯特勒的科學生涯從光的散射開始。他一直都在研究光譜學的議題，像是原子螢光和拉曼光譜學。他對原子如何跳到更高的能階，在它們返回到基態時發射特定波長的光的現象特別感興趣。1937 年卡斯特勒曾研究了上層大氣中鈉原子的發光，他與他的同事Jean Bricard 合作，在阿比斯庫進行了一系列研究之後，發現黃昏時大氣光譜中的D 線是極化的，這證明了太陽輻射是造成這種光學共振的機制。他還仔細描繪原子的空間定向與其輻射極化方向的關係，建立了先前對這種螢光極化的觀察研究。

其實先前科學家發現在光源和諧振腔之間放置偏振器的話，產生光學共振的螢光是極化光。這種極化在很大程度上受到作用在被照射原子上的磁場的影響。背後的物理並不難理解，圓偏振光的光子帶有一個單位的角動量。所以電子吸收圓偏振光而被激發到不同磁量子數的子能階，磁量子數的變化與吸收光的偏振狀態有關。換句話說，控制入射光的偏振能夠操控電子的躍遷並產生光學共振。然而當時實驗光學技術還無法達到足夠的精密度。

二戰結束後卡斯特勒派他的學生布羅塞爾（Jean Brossel，1918-2003）到麻省理工學院與弗朗西斯· 比特（Francis Bitter，1902-1967）一起工作。布羅塞爾與卡斯特勒透過頻繁的通信，逐漸形成了將光學共振與磁共振相結合來研究原子激發態的想法。所謂磁共振是指，如果施加高頻振盪磁場，則適當選擇磁場的頻率時，將會引起赫茲共振。赫茲共振傾向於讓不同磁量子數的能階的粒子數趨於相等，並且影響觀察到的螢光的偏振。在實際運用中，前面描述過程中的諧振腔被一個攜帶微波頻率電流的線圈包圍著。早在1938 年，美國科學家拉比在荷蘭科學家C. J.Gorter 的建議下首次利用振盪的外加磁場達成赫茲共振，並得以測量能階在外磁場的影響下分裂成多個子能階的現象，這是由於原子在空間中有特定的取向所造成。因此拉比能夠非常精確地計算出這些原子核的磁矩。

布羅塞爾在1951 年回到巴黎高等師範，他與卡斯特勒成立了一個小的實驗群組，開始展開利用光學方法研究赫茲共振，他們利用具有共振頻率的偏振光從激發態選擇性地激發到對應到不同磁量子數的能階。原子被圓偏振的共振輻射照射後，返回基態的原子會集中在某些子能階中，並且原子在空間中呈現特定的取向。使用這種方法應該讓原子和原子核都維持特定的取向。最終，布羅塞爾成功地使用了這種“ 雙共振” 方法來研究汞原子的激發態。在雙共振中，調諧到原子躍遷頻率的偏振光不均等地填充該躍遷的子能階。然後施加的微波可以在子能階之間引起赫茲共振。

當布羅塞爾還在美國的時候，卡斯特勒基於他的散射研究，在1950 年提出了光學幫浦。光學幫浦是一種將電子從原子或分子中的較低能階提升（或“ 泵送”）到較高能階的過程。光學幫浦實驗最初是用原子束對諧振腔中的蒸氣進行碰撞，後來卡斯特勒採用雙共振的方法結合光學幫浦，泵送方法獲得了重要的改進。一些非常有趣的工作是在泵送後原子鬆弛回到無序狀態，這個現象提供了有關原子間碰撞以及原子與容器壁之間碰撞機制的訊息。查爾斯· 湯斯（Charles Townes）和其他人後來採用光學幫浦為雷射打下了基礎。光學幫浦也允許建構易於使用且非常靈敏的磁力計以及原子鐘。

雙共振和光學幫浦允許非常靈敏地檢測赫茲共振，這種共振會引起容易觀察到的光學效應。因為這些方法與ESR 或NMR 光譜基於不同的原理；與後一種方法相比，它們可以應用於密度非常低的材料。在隨後的四十年裡，卡斯特勒在巴黎高等師範的實驗室培養了許多年輕的物理學家，對法國原子物理科學的發展產生了重大影響。赫茲光譜實驗室於1994 年更名為卡斯特勒－布羅塞爾實驗室。1997 年諾貝爾獎得主克洛德· 科昂－唐努德日（Claude Cohen-Tannoudji，1933-）就是卡斯特勒的學生，也曾是卡斯特勒實驗室的成員，他因為發展了用雷射冷卻和捕獲原子的方法」而得獎。

卡斯特勒除了物理以外還有許多嗜好，他用德語寫詩，甚至在1979 年出版了一卷他的作品。他於1984 年1 月7 日在法國班多爾的法國里維埃拉安詳地去世，享年81 歲。