图:Nobel Foundation,1944(时年 46 岁)/ Wikimedia Commons / 公有领域
伊西多·拉比
Isidor Isaac Rabi1898–1988 · 生于奥匈帝国雷马努夫(今属波兰) · 美国
他把「测一个物理量」换成了「测一个频率」——这一手撑起了核磁共振、MRI 与原子钟
诺贝尔物理学奖 1944 用共振方法记录原子核的磁性质
「我母亲把我变成了科学家,她自己并没打算这么做。布鲁克林别的犹太母亲问放学回家的孩子「今天学到什么了」,我母亲不问这个,她问:伊兹,你今天问了个好问题吗?就是这个差别,让我成了科学家。」
—— 1988 年 1 月 19 日《纽约时报》读者来信转述拉比本人的话(译自英文原文)
你手机里的时间、医院里的 MRI、化学家鉴定分子结构用的核磁共振波谱,共用同一个技巧:不去直接测那个量,而是去找一个频率。把这个技巧做出来的人,出生在奥匈帝国一个说意第绪语的家庭,一岁被抱到纽约,读的是化学。
从雷马努夫到下东区
拉比 1898 年生于加利西亚的雷马努夫,一岁时全家移民美国,先住曼哈顿下东区,后来搬到布鲁克林。家里正统而清贫,说意第绪语。他在康奈尔读的是化学,1919 年毕业后有三年在做与科学无关的活计,1921 年才回学校改读物理,后来转到哥伦比亚,1927 年以晶体磁性的研究拿到博士。
在施特恩的实验室里
拿到学位后他去了欧洲两年,转了一圈:索末菲、玻尔、泡利、海森堡都待过。真正改变他的是汉堡——施特恩的分子束实验室。
分子束是施特恩和格拉赫 1922 年验证空间量子化的办法:让一束原子穿过不均匀磁场,看它分裂成几条。拉比在那里做的第一件事是改造偏转场的几何形状,让束流更好控制。这套手艺他带回了哥伦比亚。
把物理量换成频率
1930 年代,测原子核磁矩靠的是看束流偏转多少——偏转量小、又受束流本身宽度的限制,精度上不去。
拉比的想法是在束流中途再加一段射频场。1937 年他先在纸上算清楚:一个自旋在旋转磁场里不会一跳了事,而是在两个态之间来回翻,翻转概率随频率画出一条极窄的峰,峰顶正对着能级差。1938 年,他与扎卡赖亚斯、米尔曼、库施把它做了出来:扫描射频频率,束流强度在某个频率上突然掉下去——那个频率乘以普朗克常数,就是两个核磁能级的间距。
这一步的分量不在于「又测准了一点」。它把一个难测的量换成了一个好测的量。 频率可以用计数的办法测,精度原则上没有上限;从此核磁矩的数值一下子精确了几个数量级。1944 年的诺贝尔奖给的就是这个方法本身。
雷达、炸弹与之后
1940 年他离开哥伦比亚去麻省理工的辐射实验室当副主任,主持雷达研制,那是战时美国仅次于曼哈顿计划的科学动员。他同时为洛斯阿拉莫斯做顾问,却拒绝全职加入——他不愿意让一颗炸弹成为三个世纪物理学的高潮。
战后他成了美国科学政策里少见的那种人:既有威望,又肯为不受欢迎的立场签字。1949 年,他与费米在原子能委员会总顾问委员会的报告后附上少数派意见,反对紧急研制氢弹。1952 年他接任该委员会主席。
他也是建制的建造者。1946 年他推动布鲁克海文国家实验室成立;1950 年 6 月,他在佛罗伦萨的联合国教科文组织大会上提出一项建立区域研究实验室的决议——今天的 CERN 就是从那条决议长出来的。
一台钟
1945 年 1 月,战争还没结束,拉比在美国物理学会的会上提出:既然共振频率只由原子自身的能级决定,与温度、气压、地点都无关,那它就可以拿来做钟。四年后,第一台原子钟在美国国家标准局建成。1967 年,「秒」的定义被改写成铯-133 原子某条跃迁的固定周期数,人类的时间标准从此不再挂在地球的自转上。
他在哥伦比亚带出的那一批人把这条线继续往下推:拉姆齐的分离振荡场让铯钟成为可能,库施、兰姆各自拿了 1955 年的诺贝尔奖,汤斯从磁共振走到了微波激射器与激光。
「你今天问了个好问题吗」
拉比留下的最出名的一句话,是关于他母亲的:布鲁克林别的母亲问孩子今天学了什么,他母亲问的是「你今天问了个好问题吗」。他说,是这个差别让他成了科学家。
另有一句在物理学家中间流传更广。1930 年代 μ 子被认出来时——一个跟电子一模一样、只是重两百倍、谁也不知道派什么用场的粒子——据说拉比的反应只有三个词:谁点的这道菜?
1988 年 1 月 11 日,拉比在纽约去世。那句关于母亲的话,是在他去世八天后登上报纸的。
代表方程
拉比振荡
给一个两能级系统加上射频场,它不会「跳一次就完」,而是在两个态之间来回翻,翻转频率由射频强度 决定。关键在前面那个因子: 是射频频率与能级差的失谐,只有 时翻转概率才能达到 1;稍微偏一点,振幅就掉下去。共振窄得像刀锋,所以频率一测就准。今天的量子比特门操作、激光冷却、核磁共振脉冲序列,用的都还是这条曲线。
共振条件
分子束穿过不均匀磁场会被偏转,拉比在中途加了一段射频场:当 正好等于原子核两个磁能级之差时,核翻转,束流「掉」出探测器。于是要测的量(核磁矩里的 )被换算成了一个频率。这是整件事的要害——频率是所有物理量里最容易测准的,精度立刻跳了几个数量级。秒的定义今天锚在铯原子的一条跃迁频率上,源头就是这个换算。
伟大发现
出处
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