原子物理學(xué)教父——深切悼念原子物理學(xué)家丹尼爾·克萊普納教授

2025年6月16日，著名原子物理學(xué)家丹尼爾·克萊普納（Daniel Kleppner）逝世，享年92歲。他與合作者發(fā)展的氫激射器原子鐘，為高精度時間計量體系奠定了基礎(chǔ)，至今仍在全球定位與通信系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。他開創(chuàng)的里德伯原子與腔量子電動力學(xué)研究，深刻影響了量子信息與精密測量的發(fā)展；在玻色—愛因斯坦凝聚的早期探索中，他亦是重要的引路人。克萊普納既是卓越的實驗物理學(xué)家，也是深受學(xué)生敬重的良師，長期與中國學(xué)界保持著真誠而深入的交流。

撰文 | 陳徐宗 (北京大學(xué)電子學(xué)院、福耀科技大學(xué)計算機與人工智能學(xué)院)

來源 | 本文選自《物理》2025年第12期

極具影響力的原子物理學(xué)家丹尼爾·克萊普納 (Daniel Kleppner，圖1) 教授于2025年6月16日去世，美國《紐約時報》、《華盛頓郵報》、麻省理工學(xué)院 (MIT) 新聞網(wǎng)等都刊登文章紀(jì)念這位杰出的科學(xué)家，贊揚他共同發(fā)明了氫激射器原子鐘和他對里德伯原子物理學(xué)與空腔量子電動力學(xué)研究的卓越貢獻，以及他在玻色—愛因斯坦凝聚 (BEC) 方面的開創(chuàng)性工作。他發(fā)明的原子鐘成為了全球定位系統(tǒng) (GPS) 的核心，率先研究的里德伯原子和腔量子電動力學(xué)推動了量子計算機的發(fā)展，在玻色—愛因斯坦凝聚方面的貢獻開創(chuàng)了量子模擬和量子精密測量的新方向。

圖1 丹尼爾·克萊普納(1932—2025)

克萊普納教授是中國原子物理界的老朋友，本文介紹他對世界科學(xué)的貢獻以及與中國學(xué)人的友誼，以此紀(jì)念這位全球原子物理的“教父”。

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科學(xué)生涯

克萊普納1932年12月16日出生于美國紐約曼哈頓，1953年畢業(yè)于威廉姆斯學(xué)院，并獲得了劍橋大學(xué)的富布賴特獎學(xué)金，在那里他遇到了年輕的物理學(xué)家肯尼思·史密斯。史密斯向他介紹了哈佛大學(xué)教授諾曼·拉姆齊 (Norman Ramsey，1989年諾貝爾物理獎得主) 所著的《核極矩》(Nuclear Moments)一書，并推薦了拉姆齊的導(dǎo)師拉比 (I. I. Rabi，1946年諾貝爾物理獎得主) 的使原子鐘變得非常精確的實驗方案。受此影響與鼓舞，克萊普納希望能夠制造出一臺能夠精密測量引力場的原子鐘。1955年，克萊普納成為拉姆齊的博士研究生，拉姆齊鼓勵他創(chuàng)造一種新型原子鐘，因為銫和氨激射器 (一種放大微波技術(shù)) 不夠精確，無法測量重力對時間的影響。克萊普納的博士論文是關(guān)于利用氨激射器的概念研制氫激射器，氫激射器利用氫原子的固有微波頻率，并通過受激發(fā)射輻射來放大氫激射器的功效。1959年獲得博士學(xué)位后，克萊普納留在哈佛大學(xué)拉姆齊研究組做博士后，在此期間他們成功創(chuàng)造了一種新的原子鐘，其卓越的穩(wěn)定性可以驗證愛因斯坦廣義相對論所預(yù)測的引力對時間的微小影響。氫激射器確實驗證了愛因斯坦關(guān)于時間和引力的猜想，但最初只是由射電天文學(xué)家使用，之后花了十多年的時間才被廣泛接受。如今，氫激射器等原子鐘被用于需要高短期穩(wěn)定性的應(yīng)用，例如跟蹤全球定位衛(wèi)星的地面授時系統(tǒng)的同步，用于海軍天文臺的計時和通信，以保持精確穩(wěn)定的時間參考，稱為協(xié)調(diào)世界時 (UTC)；也應(yīng)用到超長基線微波干涉測量 (VLBI) 中，使天文學(xué)家能夠?qū)崿F(xiàn)極高分辨率并研究包括黑洞在內(nèi)的遙遠(yuǎn)射電源。

克萊普納于1966年加入麻省理工學(xué)院，成為物理系的副教授，1974年晉升為正教授。1976年，克萊普納開創(chuàng)了里德伯原子研究領(lǐng)域，這是一種高度激發(fā)的原子，能夠表征氫原子的簡單性質(zhì)。他的研究表明，里德伯原子的狀態(tài)可以通過可調(diào)諧激光激發(fā)，并且很容易通過場電離檢測到。進一步，他繪制了里德伯原子在高電場和磁場中的響應(yīng)圖，并用這些數(shù)據(jù)為量子力學(xué)和經(jīng)典混沌之間的聯(lián)系提供了新的物理見解。克萊普納關(guān)于里德伯原子的強相互作用、長壽命和對外場敏感性的論文，推動了當(dāng)前科學(xué)研究和初創(chuàng)公司對開發(fā)有前途的里德伯量子計算機感興趣，也為發(fā)展高精度的電場和磁場精密測量新技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

1981年，克萊普納在一篇理論論文中提出了用空腔抑制自發(fā)發(fā)射的可能性：當(dāng)空腔缺乏接收其發(fā)射的振蕩模式時，激發(fā)原子不會衰變。隨后，他證明了這種效應(yīng)，并啟動了腔量子電動力學(xué) (cavity-QED) 領(lǐng)域，該效應(yīng)被巴黎高等師范學(xué)院塞爾日·哈羅什 (Serge Haroche) 教授首先觀察到，腔量子電動力學(xué)的研究進展最終促成哈羅什獲得2012年諾貝爾獎。之后腔量子電動力學(xué)效應(yīng)開始在光學(xué)頻率下實現(xiàn)，當(dāng)今，它已被廣泛用于微波的能量范圍內(nèi)，被稱作電路量子電動力學(xué) (circuit-QED)，這正是超導(dǎo)量子計算機中CNOT門等重要控制門的核心機理，米歇爾·德沃雷特 (Michel Devoret) 也因為在這方面的卓越貢獻而被授予2025年諾貝爾物理學(xué)獎。

為了實現(xiàn)氫原子的玻色—愛因斯坦凝聚，克萊普納與麻省理工學(xué)院的同事湯姆·戈雷泰克 (Tom Greytak) 于1980年代初發(fā)展了兩項革命性技術(shù)——磁阱捕獲氫原子和蒸發(fā)冷卻氫原子。當(dāng)科學(xué)界將這些技術(shù)與激光冷卻相結(jié)合時，原子物理學(xué)進入了一個重要的新研究方向——當(dāng)冷卻到更低溫度時，將實現(xiàn)玻色—愛因斯坦凝聚。1995年，由克萊普納以前的學(xué)生埃里克·康奈爾 (Eric Cornell) 和卡爾·維曼 (Carl Weiman) 領(lǐng)導(dǎo)的一組研究人員使用銣原子獲得了BEC，麻省理工學(xué)院物理系博士后沃夫?qū)た颂乩?(Wolfgang Ketterle) 成功地使用鈉原子獲得了BEC。由于這一成就，他們獲得了2001年諾貝爾物理學(xué)獎。在1996年的一次BEC會議上，克特勒回憶起克萊普納的貢獻時說：“他就像摩西，他向他的人民展示了圣地，但他自己從未到達(dá)過圣地。這正是他所做的，他向我們展示了玻色—愛因斯坦凝聚的圣地。他向我們展示了什么是可能的……他是玻色—愛因斯坦凝聚的教父。”不過，后來他也到達(dá)了圣地，1998年，當(dāng)只有少數(shù)小組能夠獲得BEC時，克萊普納與戈雷泰克實現(xiàn)了氫的BEC。

克萊普納于1976年至1979年擔(dān)任麻省理工學(xué)院物理系原子、等離子體和凝聚態(tài)物理系主任。1985年，他被任命為萊斯特·沃爾夫物理學(xué)教授。當(dāng)他于1966年建立麻省理工學(xué)院原子物理小組時規(guī)模很小，但最終在2012年成為了《美新周刊》報道的全國排名第一的原子物理小組。克萊普納是這方面卓越的領(lǐng)導(dǎo)者。1987年至2000年，他擔(dān)任麻省理工學(xué)院電子學(xué)研究實驗室主任，并于2001年擔(dān)任執(zhí)行主任。2000年，克萊普納獲得了美國國家科學(xué)基金會的資助，共同創(chuàng)立了麻省理工學(xué)院—哈佛大學(xué)超冷原子中心，這是麻省理工學(xué)院與哈佛大學(xué)的一項合作項目，將麻省理工學(xué)院的電子實驗室與哈佛大學(xué)物理系聯(lián)合起來，以探索超冷原子和量子氣體的物理學(xué)。克萊普納在2006年之前一直擔(dān)任該中心的主任，該中心學(xué)者包括麻省理工學(xué)院教授克特勒、大衛(wèi)·普里查德 (David Pritchard，美國科學(xué)院院士)、弗拉登·范爾泰克 (Vladan Vuletic，著名量子計算機公司QuEra的共同創(chuàng)建人)、馬丁·茲維勒 (Martin W. Zwierlein)、葆拉·坎佩臘 (Paola Cappellar)和艾塞克·莊 (Isaac Chuang，量子計算機的先驅(qū)) 等。

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對教育和社會的貢獻

克萊普納是位優(yōu)秀的教師，培養(yǎng)了一代又一代的物理學(xué)家，他指導(dǎo)了23名博士生，這些博士生后來在著名大學(xué)取得了職位并獲得了重大科學(xué)獎項。

克萊普納和拉姆齊于1972年撰寫了廣泛使用的教科書《快速微積分》(該書的第三版于2022年由麻省理工學(xué)院物理系的Peter Dourmashikin (力學(xué)課程負(fù)責(zé)人)更新)。克萊普納還與Robert J. Kolenkow一起于1973年撰寫了《力學(xué)導(dǎo)論》，并于2013年出版了第二版。麻省理工學(xué)院物理系主任Deepto Chakrabarty 稱其為“杰作”：“50多年來，它為潛在的物理專業(yè)學(xué)生奠定了我們新生課程的基礎(chǔ)，它提供了一個深刻的、優(yōu)雅且數(shù)學(xué)復(fù)雜的美國物理專業(yè)經(jīng)典力學(xué)入門教材。”

克萊普納于1997年被授予美國物理教師協(xié)會的奧斯特獎?wù)拢⒁蚱浯碓游锢韺W(xué)為麻省理工學(xué)院和社會所做的服務(wù)而獲得了享有盛譽的1995—1996年James R. Killian Jr.教師成就獎。“他慷慨地投入了自己的時間和精力來制定國家科學(xué)政策，他作為教師、行政人員和導(dǎo)師為麻省理工學(xué)院服務(wù)，表現(xiàn)出色”，教師成就獎委員會的證書上寫道。

克萊普納積極參與物理學(xué)和公共政策之間的聯(lián)系，曾在30多個委員會任職。他是美國物理學(xué)會 (APS) 公共事務(wù)小組 (POPA) 的成員，擔(dān)任物理規(guī)劃委員會和原子、分子和光學(xué)物理部的主席，并為一項關(guān)于年輕物理學(xué)教授的成長和指導(dǎo)的研究做出了貢獻。他主持了美國國家科學(xué)院的一份原子物理報告，并在多個國會委員會提交了該報告，在美國國家研究委員會的物理調(diào)查委員會任職，并擔(dān)任國際純粹與應(yīng)用物理學(xué)聯(lián)合會原子和分子物理委員會的主席。

2003年，克萊普納與人合作撰寫了一份極具社會影響力的報告，這是一份由美國物理學(xué)會 (APS) 雜志《現(xiàn)代物理學(xué)評論》特別增刊上發(fā)表的“關(guān)于國家導(dǎo)彈防御的助推階段攔截的研究”報告，該報告研究了助推階段攔截的技術(shù)可行性，這是美國總統(tǒng)布什提出的有爭議的戰(zhàn)略防御計劃 (SDI) 的核心概念，也稱“星球大戰(zhàn)”計劃。報告重點分析了在導(dǎo)彈助推階段攔截的物理和工程挑戰(zhàn)，該報告有助于公眾了解激光武器不能做什么以及它們能做什么，“從技術(shù)上講，除非在非常有限的情況下，否則它真的不會成功”，克萊普納說。在這篇報告發(fā)表后，“ (SDI) 最終慢慢地消失了，這份報告可能促成了這一點”，克特勒說。普里查德補充道，“它極大地改變了國家的道路”。

克萊普納是美國國家科學(xué)院院士、藝術(shù)與科學(xué)院、科學(xué)促進會、法國科學(xué)院和美國哲學(xué)會的院士。他獲得了許多獎項，包括2005年著名的沃爾夫獎，“以表彰他在氫系統(tǒng)原子物理學(xué)方面的開創(chuàng)性工作，包括對氫激射器、里德伯原子和玻色—愛因斯坦凝聚的研究”。其他榮譽包括2014年富蘭克林獎?wù)潞?006年由美國總統(tǒng)布什頒發(fā)的國家科學(xué)獎?wù)?(圖2)。他還獲得了弗雷德里克·艾夫斯獎?wù)?(2007年)、威廉·梅格斯獎 (1991年)、李利菲爾德獎 (1991年) 和戴維森—格默獎 (1986年)。

圖2 2006年，美國布什總統(tǒng)給克萊普納頒發(fā)國家科學(xué)獎?wù)?/p>

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北京大學(xué)學(xué)人的友誼

第一次見到克萊普納是在2006年7月奧地利因斯布魯克的國際原子物理大會 (ICAP)上，這是我第一次參加原子物理領(lǐng)域的國際學(xué)術(shù)會議，大會的第一個報告人就是克萊普納，他講述了原子物理的發(fā)展歷程，報告十分精彩，深深吸引了我，從中了解到很多原子物理發(fā)展過程中不為人所知的有趣故事。會后，我講著不熟練的英語，向克萊普納請教原子物理的問題，他一點沒有嫌棄，非常耐心地傾聽問題，并進行了專業(yè)解答。他這種和藹可親的態(tài)度讓我非常感動，于是主動邀請他到北京大學(xué)訪問并指導(dǎo)工作。

2007年4月，他與夫人畢鵲斯·克萊普納 (Beatrice Kleppner) 正式訪問北京大學(xué)，與中國的原子物理學(xué)者進行了深入地交流，并參觀了我的實驗室 (圖3)。那時，我的實驗室很簡陋，剛搭建成了一個銣原子玻色凝聚實驗裝置，得到了中國第一束原子激光，并通過BEC觀察到了馬約拉納躍遷，該論文成為中國第一篇發(fā)表在國際刊物上有關(guān)BEC實驗的論文。當(dāng)時參觀實驗室時他給出不少建議，并與我的學(xué)生進行了指導(dǎo)性地討論，學(xué)生們非常喜歡這位爺爺輩、德高望重的國際著名科學(xué)家。

圖3 2007年6月，作者向來訪的克萊普納介紹北京大學(xué)玻色—愛因斯坦凝聚實驗室

2007年7月，我去美國參加國際激光光譜會議 (ICOLS)，結(jié)束后去波士頓拜訪克萊普納，他非常熱情地接待我，并讓我住在家中，這是我第一次住在一位美國著名科學(xué)家的家里，內(nèi)心興奮又感激。在波士頓的兩周時間，他安排了很多參觀，特別是麻省理工學(xué)院和哈佛超冷原子中心的參觀，讓人大開眼界，深入了解到世界上一流的科學(xué)研究是如何進行的，同時也認(rèn)識了很多著名科學(xué)家，如克特勒、范爾泰克、茲維勒、艾塞克·莊、Jhon Doyle (哈佛大學(xué)教授，現(xiàn)任美國物理學(xué)會主席) 等 (圖4)。先進的科學(xué)研究和科學(xué)管理讓人心生向往，因此，經(jīng)我指導(dǎo)和推薦，一共有五位學(xué)生去超冷原子中心攻讀博士，其中陳文蘭博士已經(jīng)回到清華大學(xué)擔(dān)任副教授。

圖4 2007年在麻省理工學(xué)院教授餐廳(從右至左：艾塞克·莊，克特勒，克萊普納，陳徐宗)

期間正巧趕上美國國慶節(jié)，與克萊普納全家人都見了面，大家對我很熱情，使我享受到了一個大家庭的溫暖，也讓我真正了解到美國家庭的真實一面，感受到了美國家庭中父母對孩子藏在心中的關(guān)愛，這一點可能與任何國家都一樣。不一樣的是克萊普納作為一家之主，主動承擔(dān)了很多技術(shù)難度很高的家務(wù)活，如搭建了家中的廚房，幫孩子們建造了花園中的秋千，另外他還有做木工工藝的愛好。這趟旅程使我了解到一位舉世聞名的科學(xué)家背后的家庭觀念和優(yōu)秀品德。

之后，我多次訪問過克萊普納，2014年那次時間比較長，也住在他家，與他的朋友一起討論各種問題，非常愉快。當(dāng)時我在北京大學(xué)教力學(xué)，交談中得知他教了40年力學(xué)，并撰寫了樣板教材《力學(xué)導(dǎo)論》，此后我也將這本教材列入了力學(xué)課程的重要參考書，之后這本教科書被北京大學(xué)物理學(xué)院翻譯成中文，在國內(nèi)有著很重要的影響力。

圖5 2016 年北京大學(xué)英杰交流中心的大學(xué)物理教學(xué)論壇上，克萊普納與中國學(xué)者交流

2016年，克萊普納夫婦再一次訪問北京大學(xué)，在大學(xué)物理教學(xué)論壇作了精彩的報告——The evolution of physics teaching at the Massachusetts Institute of Technology，中國很多著名大學(xué)的校長、物理系主任、著名教授參加了此次會議，通過他的報告，大家對麻省理工學(xué)院先進的教學(xué)理念有了深刻的理解 (圖5)。在北京大學(xué)訪問期間，克萊普納還參加了我們組會，與學(xué)生進行了討論，耐心解答了問題，這些指導(dǎo)和啟發(fā)給學(xué)生們在精神上帶來了巨大的激勵，其中兩名學(xué)生，項晶罡、劉童童申請到麻省理工學(xué)院物理系攻讀博士學(xué)位。期間，克萊普納夫婦也訪問了我家，我的家人也成了他們的好朋友。除此之外，克萊普納還分別在清華大學(xué)和中國航天科工二院作了關(guān)于氫原子蒸發(fā)冷卻和玻色凝聚，以及氫原子鐘發(fā)明的報告，得到了聽眾的高度贊賞。報告之后，克萊普納參觀了很多實驗室，并與中國學(xué)者做了深入交流，受到中國學(xué)者的熱情接待。在訪問中，我們也發(fā)現(xiàn)克萊普納對歷史和現(xiàn)代藝術(shù)有著濃厚的興趣。

2017年，我與同事代表北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院再一次訪問麻省理工學(xué)院，希望建立長期的學(xué)生培養(yǎng)合作。克萊普納熱情地幫助我們聯(lián)系了電子學(xué)研究實驗室主任、麻省理工學(xué)院的副校長商量合作事宜，并聯(lián)系了十多位教授與我們交流，討論合作暑期實習(xí)之事。期間，克萊普納還安排我們參觀了超冷原子中心的很多實驗室，我們受益匪淺，回來后北京大學(xué)進行了課程更新和改革，并在量子模擬和量子計算研究方面進行了新布局，使量子科學(xué)研究在北京大學(xué)有了更好的發(fā)展。

2019年，我受英國物理學(xué)會Reports on Progress in Physics 雜志的邀請，撰寫一篇綜述文章，題目是“The emergence of pico-Kelvin physics”，主要回顧從蒸發(fā)冷卻技術(shù)開始，人們?nèi)绾卧噲D擺脫地球引力的影響，將原子的溫度降到pK (10-12 K)，克萊普納知道后，主動提出幫助修改論文。當(dāng)我把31頁的文稿寄給他后，他逐字逐句地幫忙修改文字和段落，還與我多次討論內(nèi)容，并提出修改意見，經(jīng)他修改和潤色后的文章更加通順和優(yōu)雅。2000年論文發(fā)表前，我邀請他當(dāng)文章的作者，他謙遜地說只要在文章末尾致謝就行，讓我十分感動。也是在他的鼓勵下，我負(fù)責(zé)的中國空間站冷原子柜科學(xué)實驗取得了重要突破，溫度進入了pK的量級——創(chuàng)造了人類冷卻物質(zhì)溫度的新記錄。

圖6 2023年作者與克萊普納于波士頓麻省理工學(xué)院社區(qū)

最近一次訪問克萊普納是2023年的7月，那年正好在丹佛舉辦ICOLS國際會議，我在回國途中順便訪問了他 (圖6)。很巧，他女兒Sofie Kleppner (斯坦福大學(xué)生命學(xué)院副院長) 回來探親，所以我又一次與他們?nèi)乙娒妫上r間很短暫。期間，他們熱情地領(lǐng)我去同事家訪問交流，最后與力學(xué)課程負(fù)責(zé)人托馬斯奎博士交流力學(xué)教學(xué)和麻省理工學(xué)院課程設(shè)置，使我收獲良多。分別時，我還對克萊普納說，請他保重身體，我會很快回來看他。沒想到他在2025年6月突然離開我們，我們?nèi)乙约氨贝蟮耐聜兊弥讼⒑蠖枷萑氲缴钌畹谋粗校蠹揖拺芽巳R普納對世界科學(xué)和中國的貢獻，他發(fā)明的氫鐘推動了守時原子鐘研究，從而我們得以建立了北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)，他開創(chuàng)的蒸發(fā)冷卻方法推動了中國冷原子物理、量子模擬和量子精密測量的研究，他的里德伯原子和腔量子電動力學(xué)推動了中國中性原子量子計算機和超導(dǎo)量子計算機的研究熱潮。克萊普納對科學(xué)的追求和對教學(xué)的熱愛以及生活中的謙虛和幽默是我和同事們的榜樣，他對同事和朋友的關(guān)懷和幫助，對我們是一種巨大的激勵。與他相聚相處的點點滴滴，永遠(yuǎn)是我們?nèi)液捅贝髮W(xué)人的溫暖回憶。

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