沃尔夫冈·凯特勒

1995 年 9 月 29 日晚上十一点半，麻省理工学院一间地下实验室的记录本上写着一行泄气的话：寿命测量不可靠。那一晚的实验本来根本不是冲着玻色-爱因斯坦凝聚去的，他们只想知道原子在磁阱里能活多久。结论是大约十秒——不算好，但够继续往下蒸发。

几分钟后，飞行时间吸收像上出现了几个暗斑。可那束用来堵住阱心漏洞的氩离子激光关不掉，在原子云自由膨胀的时候还在推它，图像被推歪了，没法下结论。凌晨四点到五点半，他们把光路拆开，装上一只声光调制器，第一次能在原子下落的那几毫秒里把光塞关掉。十五分钟后，双峰分布出现在屏幕上——一个窄而亮的峰，坐在宽而淡的热原子云正中间。凯特勒后来写：在我最狂野的梦里，我也没料到从蒸发冷却走到凝聚会这么快。

在那之前，为了走到这间屋子里，他已经改过两次行。

地下室里的爆炸混合物

1957 年 10 月 21 日，凯特勒生于海德堡；三岁时全家搬到城外三英里的埃佩尔海姆，他上头有个大十五个月的哥哥京特，下头有个小三岁半的妹妹莫妮卡。他在自家地下室做化学实验，父母允许他配「爆炸性的混合物」；也拆旧收音机和电视，把一台便携收音机接到真空管功放上凑出立体声。多年后他自评这段：我并没有钻得很深，一部分原因是没有人引导我。

引导来得晚一点，在海德堡的本生文理中学。数学老师阿尔布雷希特·施特罗贝尔专门给他出格外难的题，也教全班用玩的心态而不是形式化的心态去看数学。他是班上第一名。1976 年他进海德堡大学——自传里他特意提了一句，这所大学 1386 年创立，是德国第二所大学。入学前他拿到德国国家学术基金会的奖学金，暑期学校设在意大利的阿尔卑斯山里，他从此爱上徒步。1978 年考完 Vordiplom 后他按原计划转学慕尼黑工业大学，理由写得很直白：慕尼黑是德国最有吸引力的城市之一，而那里在很多子领域都很强。

1982 年的 Diplom 论文做的是理论——无序材料中的自旋弛豫，导师是沃尔夫冈·格策。做完他就掉头去做实验了。

一个从来没人拍到过的分子

博士阶段他去了加兴的马普量子光学研究所，导师是赫伯特·瓦尔特与哈特穆特·菲格尔。原定的题目是用激光光谱做半导体痕量分析，干了一年判定在当时的条件下做不成，于是转向小分子的基础光谱：用质量选择的离子束经电荷转移生成激发态的中性分子，这样能拿到几乎不含杂质的样品。先是三原子氢，1985 年轮到氦合氢——一个氦加一个质子，最简单的异核分子，此前没有人拍到过它的分立光谱。

我记得第一次做出氦合氢时的兴奋。我转动单色仪的光栅……可见光到近红外，几乎到处都是光。

1986 年 5 月答辩，按德国的传统要给学位帽做个装饰，他做了个氦合氢的分子模型，红色的质子、蓝色的中子、黄色的电子，其中一个电子里还装了闪烁灯。同年他与高中时代就认识的加布丽埃勒·绍尔结婚，后来有三个孩子。

学位之后他留所做了两年博士后，把博士期间拍下的那整套发射谱解析完：分子转动会让玻恩-奥本海默近似破缺，s、p、d 态互相微扰，必须把好几个电子态放在一起模拟才对得上。他把这件事列为自己做过的最有挑战性的工作之一。

两次改行

1988 年他第一次换领域，回海德堡大学进于尔根·沃尔弗鲁姆的物理化学组，用激光做燃烧诊断——测火焰的温度与分子浓度。有一个项目跟大众汽车合作，一卡车激光设备拉到发动机试验台旁边，观察窗上积炭，光学件被柴油机漏出来的油滴到。这段经历给他留下一句结论：通用能力远比具体知识重要。

1990 年春天他第二次换领域，这次代价大得多：三十二岁，放弃德国的长期职位，到美国做一份短期博士后，进麻省理工学院戴维·普里查德的组做冷原子，第一年由德国学术交流中心的奖学金养着。他事后诚实地记下了自己当时的误判：

那时我的判断是，激光冷却与囚禁这个领域已经过了顶点，但还有足够的事可做。我没有料到，最好的还在后头。

对于「德国人，在美国做出成果」这件事，他自己的说法不是移民成功学，而是换环境等于换自我：出国不只是浸入一种新文化，它还意味着你从原来的环境里挣脱出来，有机会改变、重新定义自己。作为一个在新领域里的外国人，他不觉得自己被哪种传统绑着，可以自己长出一套风格——做实验的风格、讲报告的风格、组里讨论的风格。

普里查德交出的那间实验室

1993 年麻省理工学院给了他助理教授的位置。真正罕见的是普里查德接下来做的事：他把正在运行的实验室连同两笔经费一并交给凯特勒，并且主动退出这个自己开创的领域，为的是确保将来的功劳完整地归于凯特勒一个人。

戴夫·普里查德提出了一个前所未有的条件：只要我留在麻省理工学院，他就把运行中的实验室连同两笔经费交给我。为了让我能够得到这项工作的全部功劳，他决定不再介入一个由他开创的领域，把全部责任和独立性都给了我……直到今天，他的慷慨和这种不寻常的师者之风仍然让我感动。

暗磁光阱与那束 3.5 瓦的光塞

要冷到凝聚，第一步是把足够多的原子攒到足够高的密度。麻烦在于磁光阱里的原子一直在吸收和再发射光子，密度一高，散射光就会在原子之间反复来回，产生一个向外的辐射压，把阱自己撑开。凯特勒 1992 年做出的暗磁光阱绕开了这一点：让原子大部分时间待在一个不与激光作用的内态里，只在边缘被推。这东西几乎一上来就工作了，原子云浓到把探测光衰减到不足原来的 $e^{-100}$。他后来的评价是，这个阱对博尔德和麻省理工学院两边的凝聚工作都是关键的，而且看来在今天所有用钠做的实验里仍然必要，用铷则不必。

第二步是补上磁阱的漏洞。球形四极磁阱的中心磁场为零，原子路过那里时自旋跟不上磁场方向的翻转，就会掉出阱去。1994 年 5 月在一次会议上他想到一个办法：拿一束 3.5 瓦的蓝失谐氩离子激光聚焦到零场点上，用排斥性的偶极力把原子从那个洞边推开——光塞。

这个主意在我看来太明显了，我本以为博尔德组会想出类似的东西。

要到那年晚些时候他才知道，埃里克·康奈尔和卡尔·威曼堵同一个洞用的是另一招：让磁场零点绕着原子云快速转圈，原子来不及跟。两条路各走各的，同时走通。

中间还出过一次惨事。1994 年底，磁阱没通冷却水就开了机，线圈的银焊点熔化，而线圈当时装在真空腔内，真空系统彻底报废，大部分装置拆掉重建。他管这叫「堆芯熔毁」，说自己永远忘不了线圈滴着水的样子。1995 年 8 月，组里的丹·库恩算出了一种绕线更优的「四叶草」磁阱，凯特勒本想全组立刻转过去，几个组员却希望再给光塞阱几次机会。

幸好我们听了这个建议——听合作者的话，总是个好主意。

一个半月后，光塞阱给出了凝聚。

五十万个原子

论文在实验之后两周就写完投出去了，作者是戴维斯、梅韦斯、安德鲁斯、范德鲁滕、德菲、库恩与凯特勒，1995 年 11 月 27 日见刊于《物理评论快报》。

那篇论文里的凝聚体有五十万个原子，比博尔德的多两百倍，而一整个冷却循环只要九秒，短四十倍。诺贝尔委员会的科学背景文件独立地把这一条写进了评价里：麻省理工学院的实验所含原子数多出两个量级以上。这不是锦上添花——谐振阱里的凝聚临界温度随原子数的立方根上升，原子多两百倍，同样的阱里门槛就高出近六倍；凝聚体更大、更亮、更禁得起折腾，接下来几年那些「拿凝聚体做实验」的活，大半是在这个条件下做出来的。

「独立于康奈尔与威曼的工作」

两边的时间是清楚的：博尔德 1995 年 6 月 5 日，麻省理工学院 9 月 29 日，相隔 116 天；发表则是 7 月 14 日的《科学》与 11 月 27 日的《物理评论快报》。

诺贝尔委员会的措辞值得照抄，因为它回避了排序：新闻稿说的是「独立于康奈尔与威曼的工作，凯特勒用钠原子做了相应的实验」，紧接着补一句「他做出的凝聚体含有更多原子，因此可以用来进一步研究这一现象」；科学背景文件写「麻省理工学院的工作只晚了几个月成功，发表只晚约四个月」。而授奖辞本身是两件事并列的——在碱金属原子的稀薄气体中实现玻色-爱因斯坦凝聚，以及对凝聚体性质的早期基础研究——后半句主要落在凯特勒这一边。

他自己在诺贝尔演讲的致谢里写：与博尔德组长达一年的竞争逼出了我和我的团队最好的一面；尽管竞争紧张，其间始终有真正的同行之谊与友情。

原子加原子等于真空

「早期基础研究」指的是接下来那几年。

1996 年 11 月，他们把两个各自独立生成的凝聚体放出来让它们相遇，拍到间距 15 µm 的干涉条纹。为了排除「一个凝聚体自己衍射」这种平庸解释，他们用一束组里戏称为「喷火器」的黄光临时烧掉其中一个，条纹随之消失。

两束光干涉已经很好看了，可换成原子就更惊人：相消干涉意味着，原子加原子等于真空。

1997 年 1 月，他们用射频脉冲把一部分原子从磁阱里「耦合」出来，让一串凝聚体液滴在重力下落——第一台脉冲原子激光。1998 年他们证明凝聚体的生长是自我放大的：凝聚体里原子越多，新原子掉进去越快，这就是玻色受激，光激光的增益机制在物质波上的对应物。1999 年他们干脆做出了物质波的相干放大。

同一年他们还做了两件把后来二十年撑起来的事：把凝聚体从磁阱换进纯光阱，自旋自由度就此解放；以及在凝聚体中第一次观测到费什巴赫共振，原子之间的相互作用从一个给定的参数变成了一个可以拧的旋钮。

旋钮拧到费米那一侧

2001 年，他们在钠凝聚体里搅出上百个量子化涡旋，涡旋自己排成整齐的三角晶格。同年 10 月，诺贝尔奖公布。

2003 年他们把钠凝聚体冷到 500 皮开尔文以下，比此前 3 纳开的纪录低了六倍，靠的是自己设计的引力-磁复合阱。凯特勒给这件事找的比喻是跑步：做到一纳开以下，有点像人类第一次在四分钟内跑完一英里。

接下来他把旋钮拧向了费米子。玻色子乐意挤进同一个态，费米子不行，它们只能两两配成对再凝聚——这正是超导的机制。借着费什巴赫共振，他们可以让配对从「紧紧束缚成分子」连续变到「松散的库珀对」，中间没有断点：2004 年看到费米原子对的凝聚，2005 年在强相互作用的费米气体里搅出涡旋晶格，坐实这条渡越路径上处处都是超流；2006 年他们做自旋数目不平衡的费米超流——多出来的那些落单费米子怎么办，这个问题一直通到致密星体内部的物理。2017 年，他们在自旋-轨道耦合的凝聚体里做出带超固体性质的条纹相：既是超流，又有晶格般的密度调制。

2025 年他们回到了最开头的地方，把双缝实验削到量子极限：用单个原子当狭缝，用单个光子当探针，直接检验 1927 年玻尔与爱因斯坦争论的那个核心——你想知道光子走了哪条缝，就必然毁掉干涉条纹。

爱因斯坦和玻尔绝不会想到这是可能的：用单个原子和单个光子来做这样一个实验。

他管它叫一个理想化的思想实验，只不过这次真的做了出来。

跑者

他从中学起就练长跑，偶尔也跳撑杆跳；有一年他一周跑五次，但自评天赋有限。三十岁上下，他给自己定的挑战是把马拉松跑进三小时，并且完成了几次。这个习惯一直没断：2014 年的波士顿马拉松他跑出 2 小时 44 分 06 秒，总名次第 528，在 55 至 59 岁组里排第三。

做科学和跑步一样，你都不该放弃。你应该给自己出难题，并且愿意把自己跑到精疲力尽。这一点我在科学里喜欢，在跑步里也喜欢。

所以「跑进四分钟一英里」那个比喻不是外人替他找的修辞，是他自己惯用的度量衡。至于生活里的其他事，他写得很短：2001 年，在诺贝尔奖宣布之前两个月，他和妻子分开了——这一句是他自己写进诺贝尔自传的。

1998 年起他是麻省理工学院的麦克阿瑟讲席物理教授，2006 年起主持麻省理工学院-哈佛超冷原子中心。他的课题组还在做同一件事的下一层：超流、相干与多体关联。那间实验室里现在最冷的地方，仍然比 1995 年 9 月 29 日那一夜冷得多。