原子物理學“教父”、良師益友——深切悼念原子物理學家丹尼爾·克萊普納教授

|作 者：陳徐宗

(1 北京大學電子學院）

(2 福耀科技大學計算機與人工智能學院)

本文選自《物理》2025年第12期

極具影響力的原子物理學家丹尼爾·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》、麻省理工學院(MIT)新聞網等都刊登文章紀念這位杰出的科學家，贊揚他共同發明了氫激射器原子鐘和他對里德伯原子物理學與空腔量子電動力學研究的卓越貢獻，以及他在玻色—愛因斯坦凝聚(BEC)方面的開創性工作。他發明的原子鐘成為了全球定位系統(GPS)的核心，率先研究的里德伯原子和腔量子電動力學推動了量子計算機的發展，在玻色—愛因斯坦凝聚方面的貢獻開創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的貢獻以及與中國學人的友誼，以此紀念這位全球原子物理的“教父”。

01 科學生涯

克萊普納1932年12月16日出生于美國紐約曼哈頓，1953年畢業于威廉姆斯學院，并獲得了劍橋大學的富布賴特獎學金，在那里他遇到了年輕的物理學家肯尼思·史密斯。史密斯向他介紹了哈佛大學教授諾曼·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，拉姆齊鼓勵他創造一種新型原子鐘，因為銫和氨激射器(一種放大微波技術)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，并通過受激發射輻射來放大氫激射器的功效。1959年獲得博士學位后，克萊普納留在哈佛大學拉姆齊研究組做博士后，在此期間他們成功創造了一種新的原子鐘，其卓越的穩定性可以驗證愛因斯坦廣義相對論所預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于時間和引力的猜想，但最初只是由射電天文學家使用，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定性的應用，例如跟蹤全球定位衛星的地面授時系統的同步，用于海軍天文臺的計時和通信，以保持精確穩定的時間參考，稱為協調世界時(UTC)；也應用到超長基線微波干涉測量(VLBI)中，使天文學家能夠實現極高分辨率并研究包括黑洞在內的遙遠射電源。

克萊普納于1966年加入麻省理工學院，成為物理系的副教授，1974年晉升為正教授。1976年，克萊普納開創了里德伯原子研究領域，這是一種高度激發的原子，能夠表征氫原子的簡單性質。他的研究表明，里德伯原子的狀態可以通過可調諧激光激發，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圖，并用這些數據為量子力學和經典混沌之間的聯系提供了新的物理見解。克萊普納關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，推動了當前科學研究和初創公司對開發有前途的里德伯量子計算機感興趣，也為發展高精度的電場和磁場精密測量新技術奠定了基礎。

1981年，克萊普納在一篇理論論文中提出了用空腔抑制自發發射的可能性：當空腔缺乏接收其發射的振蕩模式時，激發原子不會衰變。隨后，他證明了這種效應，并啟動了腔量子電動力學(cavity-QED)領域，該效應被巴黎高等師范學院塞爾日·哈羅什(Serge Haroche)教授首先觀察到，腔量子電動力學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效應開始在光學頻率下實現，當今，它已被廣泛用于微波的能量范圍內，被稱作電路量子電動力學(circuit-QED)，這正是超導量子計算機中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年諾貝爾物理學獎。

為了實現氫原子的玻色—愛因斯坦凝聚，克萊普納與麻省理工學院的同事湯姆·戈雷泰克(Tom Greytak)于1980年代初發展了兩項革命性技術——磁阱捕獲氫原子和蒸發冷卻氫原子。當科學界將這些技術與激光冷卻相結合時，原子物理學進入了一個重要的新研究方向——當冷卻到更低溫度時，將實現玻色—愛因斯坦凝聚。1995年，由克萊普納以前的學生埃里克·康奈爾(Eric Cornell)和卡爾·維曼(Carl Weiman)領導的一組研究人員使用銣原子獲得了BEC，麻省理工學院物理系博士后沃夫岡·克特勒(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，后來他也到達了圣地，1998年，當只有少數小組能夠獲得BEC時，克萊普納與戈雷泰克實現了氫的BEC。

克萊普納于1976年至1979年擔任麻省理工學院物理系原子、等離子體和凝聚態物理系主任。1985年，他被任命為萊斯特·沃爾夫物理學教授。當他于1966年建立麻省理工學院原子物理小組時規模很小，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導者。1987年至2000年，他擔任麻省理工學院電子學研究實驗室主任，并于2001年擔任執行主任。2000年，克萊普納獲得了美國國家科學基金會的資助，共同創立了麻省理工學院—哈佛大學超冷原子中心，這是麻省理工學院與哈佛大學的一項合作項目，將麻省理工學院的電子實驗室與哈佛大學物理系聯合起來，以探索超冷原子和量子氣體的物理學。克萊普納在2006年之前一直擔任該中心的主任，該中心學者包括麻省理工學院教授克特勒、大衛·普里查德(David Pritchard，美國科學院院士)、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)等。

02 對教育和社會的貢獻

克萊普納是位優秀的教師，培養了一代又一代的物理學家，他指導了23名博士生，這些博士生后來在著名大學取得了職位并獲得了重大科學獎項。

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年由麻省理工學院物理系的Peter Dourmashikin (力學課程負責人)更新)。克萊普納還與Robert J. Kolenkow一起于1973年撰寫了《力學導論》，并于2013年出版了第二版。麻省理工學院物理系主任Deepto Chakrabarty 稱其為“杰作”：“50多年來，它為潛在的物理專業學生奠定了我們新生課程的基礎，它提供了一個深刻的、優雅且數學復雜的美國物理專業經典力學入門教材。”

克萊普納于1997年被授予美國物理教師協會的奧斯特獎章，并因其代表原子物理學為麻省理工學院和社會所做的服務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政策，他作為教師、行政人員和導師為麻省理工學院服務，表現出色”，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和公共政策之間的聯系，曾在30多個委員會任職。他是美國物理學會(APS)公共事務小組(POPA)的成員，擔任物理規劃委員會和原子、分子和光學物理部的主席，并為一項關于年輕物理學教授的成長和指導的研究做出了貢獻。他主持了美國國家科學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查委員會任職，并擔任國際純粹與應用物理學聯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會(APS)雜志《現代物理學評論》特別增刊上發表的“關于國家導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可行性，這是美國總統布什提出的有爭議的戰略防御計劃(SDI)的核心概念，也稱“星球大戰”計劃。報告重點分析了在導彈助推階段攔截的物理和工程挑戰，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院院士、藝術與科學院、科學促進會、法國科學院和美國哲學會的院士。他獲得了許多獎項，包括2005年著名的沃爾夫獎，“以表彰他在氫系統原子物理學方面的開創性工作，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年富蘭克林獎章和2006年由美國總統布什頒發的國家科學獎章(圖2)。他還獲得了弗雷德里克·艾夫斯獎章(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，美國布什總統給克萊普納頒發國家科學獎章

03 北京大學學人的友誼

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域的國際學術會議，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，并進行了專業解答。他這種和藹可親的態度讓我非常感動，于是主動邀請他到北京大學訪問并指導工作。

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，與中國的原子物理學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表在國際刊物上有關BEC實驗的論文。當時參觀實驗室時他給出不少建議，并與我的學生進行了指導性地討論，學生們非常喜歡這位爺爺輩、德高望重的國際著名科學家。

圖3 2007年6月，作者向來訪的克萊普納介紹北京大學玻色—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家的家里，內心興奮又感激。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研究是如何進行的，同時也認識了很多著名科學家，如克特勒、范爾泰克、茲維勒、艾塞克·莊、Jhon Doyle(哈佛大學教授，現任美國物理學會主席)等(圖4)。先進的科學研究和科學管理讓人心生向往，因此，經我指導和推薦，一共有五位學生去超冷原子中心攻讀博士，其中陳文蘭博士已經回到清華大學擔任副教授。

圖4 2007年在麻省理工學院教授餐廳(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，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，主動承擔了很多技術難度很高的家務活，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家背后的家庭觀念和優秀品德。

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。當時我在北京大學教力學，交談中得知他教了40年力學，并撰寫了樣板教材《力學導論》，此后我也將這本教材列入了力學課程的重要參考書，之后這本教科書被北京大學物理學院翻譯成中文，在國內有著很重要的影響力。

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

2016年，克萊普納夫婦再一次訪問北京大學，在大學物理教學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，大家對麻省理工學院先進的教學理念有了深刻的理解(圖5)。在北京大學訪問期間，克萊普納還參加了我們組會，與學生進行了討論，耐心解答了問題，這些指導和啟發給學生們在精神上帶來了巨大的激勵，其中兩名學生，項晶罡、劉童童申請到麻省理工學院物理系攻讀博士學位。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和中國航天科工二院作了關于氫原子蒸發冷卻和玻色凝聚，以及氫原子鐘發明的報告，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，并與中國學者做了深入交流，受到中國學者的熱情接待。在訪問中，我們也發現克萊普納對歷史和現代藝術有著濃厚的興趣。

2017年，我與同事代表北京大學信息科學技術學院再一次訪問麻省理工學院，希望建立長期的學生培養合作。克萊普納熱情地幫助我們聯系了電子學研究實驗室主任、麻省理工學院的副校長商量合作事宜，并聯系了十多位教授與我們交流，討論合作暑期實習之事。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，使量子科學研究在北京大學有了更好的發展。

2019年，我受英國物理學會

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”，主要回顧從蒸發冷卻技術開始，人們如何試圖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 論內容，并提出修改意見，經他修改和潤色后的文章更加通順和優雅。2000年論文發表前，我邀請他當文章的作者，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，我負責的中國空間站冷原子柜科學實驗取得了重要突破，溫度進入了pK的量級——創造了人類冷卻物質溫度的新記錄。

圖6 2023年作者與克萊普納于波士頓麻省理工學院社區

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 (斯坦福大學生命學院副院長)回來探親，所以我又一次與他們全家見面，可惜時間很短暫。期間，他們熱情地領我去同事家訪問交流，最后與力學課程負責人托馬斯奎博士交流力學教學和麻省理工學院課程設置，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，我們全家以及北大的同事們得知此消息后都陷入到深深的悲痛之中，大家緬懷克萊普納對世界科學和中國的貢獻，他發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星定位系統，他開創的蒸發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推動了中國中性原子量子計算機和超導量子計算機的研究熱潮。克萊普納對科學的追求和對教學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，永遠是我們全家和北大學人的溫暖回憶。

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