原子物理学“教父”、良师益友——深切悼念原子物理学家丹尼尔·克莱普纳教授

|作 者：陈徐宗

(1 北京大学电子学院）

(2 福耀科技大学计算机与人工智能学院)

本文选自《物理》2025年第12期

极具影响力的原子物理学家丹尼尔·克莱普纳(Daniel Kleppner，图1)教授于2025年6月16日去世，美国《纽约时报》、《华盛顿邮报》、麻省理工学院(MIT)新闻网等都刊登文章纪念这位杰出的科学家，赞扬他共同发明了氢激射器原子钟和他对里德伯原子物理学与空腔量子电动力学研究的卓越贡献，以及他在玻色—爱因斯坦凝聚(BEC)方面的开创性工作。他发明的原子钟成为了全球定位系统(GPS)的核心，率先研究的里德伯原子和腔量子电动力学推动了量子计算机的发展，在玻色—爱因斯坦凝聚方面的贡献开创了量子模拟和量子精密测量的新方向。

图1　丹尼尔·克莱普纳(1932—2025)

克莱普纳教授是中国原子物理界的老朋友，本文介绍他对世界科学的贡献以及与中国学人的友谊，以此纪念这位全球原子物理的“教父”。

01 科学生涯

克莱普纳1932年12月16日出生于美国纽约曼哈顿，1953年毕业于威廉姆斯学院，并获得了剑桥大学的富布赖特奖学金，在那里他遇到了年轻的物理学家肯尼思·史密斯。史密斯向他介绍了哈佛大学教授诺曼·拉姆齐(Norman Ramsey，1989年诺贝尔物理奖得主)所著的《核极矩》(

Nuclear Moments

)一书，并推荐了拉姆齐的导师拉比(I. I. Rabi，1946年诺贝尔物理奖得主)的使原子钟变得非常精确的实验方案。受此影响与鼓舞，克莱普纳希望能够制造出一台能够精密测量引力场的原子钟。1955年，克莱普纳成为拉姆齐的博士研究生，拉姆齐鼓励他创造一种新型原子钟，因为铯和氨激射器(一种放大微波技术)不够精确，无法测量重力对时间的影响。克莱普纳的博士论文是关于利用氨激射器的概念研制氢激射器，氢激射器利用氢原子的固有微波频率，并通过受激发射辐射来放大氢激射器的功效。1959年获得博士学位后，克莱普纳留在哈佛大学拉姆齐研究组做博士后，在此期间他们成功创造了一种新的原子钟，其卓越的稳定性可以验证爱因斯坦广义相对论所预测的引力对时间的微小影响。氢激射器确实验证了爱因斯坦关于时间和引力的猜想，但最初只是由射电天文学家使用，之后花了十多年的时间才被广泛接受。如今，氢激射器等原子钟被用于需要高短期稳定性的应用，例如跟踪全球定位卫星的地面授时系统的同步，用于海军天文台的计时和通信，以保持精确稳定的时间参考，称为协调世界时(UTC)；也应用到超长基线微波干涉测量(VLBI)中，使天文学家能够实现极高分辨率并研究包括黑洞在内的遥远射电源。

克莱普纳于1966年加入麻省理工学院，成为物理系的副教授，1974年晋升为正教授。1976年，克莱普纳开创了里德伯原子研究领域，这是一种高度激发的原子，能够表征氢原子的简单性质。他的研究表明，里德伯原子的状态可以通过可调谐激光激发，并且很容易通过场电离检测到。进一步，他绘制了里德伯原子在高电场和磁场中的响应图，并用这些数据为量子力学和经典混沌之间的联系提供了新的物理见解。克莱普纳关于里德伯原子的强相互作用、长寿命和对外场敏感性的论文，推动了当前科学研究和初创公司对开发有前途的里德伯量子计算机感兴趣，也为发展高精度的电场和磁场精密测量新技术奠定了基础。

1981年，克莱普纳在一篇理论论文中提出了用空腔抑制自发发射的可能性：当空腔缺乏接收其发射的振荡模式时，激发原子不会衰变。随后，他证明了这种效应，并启动了腔量子电动力学(cavity-QED)领域，该效应被巴黎高等师范学院塞尔日·哈罗什(Serge Haroche)教授首先观察到，腔量子电动力学的研究进展最终促成哈罗什获得2012年诺贝尔奖。之后腔量子电动力学效应开始在光学频率下实现，当今，它已被广泛用于微波的能量范围内，被称作电路量子电动力学(circuit-QED)，这正是超导量子计算机中CNOT门等重要控制门的核心机理，米歇尔·德沃雷特(Michel Devoret)也因为在这方面的卓越贡献而被授予2025年诺贝尔物理学奖。

为了实现氢原子的玻色—爱因斯坦凝聚，克莱普纳与麻省理工学院的同事汤姆·戈雷泰克(Tom Greytak)于1980年代初发展了两项革命性技术——磁阱捕获氢原子和蒸发冷却氢原子。当科学界将这些技术与激光冷却相结合时，原子物理学进入了一个重要的新研究方向——当冷却到更低温度时，将实现玻色—爱因斯坦凝聚。1995年，由克莱普纳以前的学生埃里克·康奈尔(Eric Cornell)和卡尔·维曼(Carl Weiman)领导的一组研究人员使用铷原子获得了BEC，麻省理工学院物理系博士后沃夫冈·克特勒(Wolfgang Ketterle)成功地使用钠原子获得了BEC。由于这一成就，他们获得了2001年诺贝尔物理学奖。在1996年的一次BEC会议上，克特勒回忆起克莱普纳的贡献时说：“他就像摩西，他向他的人民展示了圣地，但他自己从未到达过圣地。这正是他所做的，他向我们展示了玻色—爱因斯坦凝聚的圣地。他向我们展示了什么是可能的……他是玻色—爱因斯坦凝聚的教父。”不过，后来他也到达了圣地，1998年，当只有少数小组能够获得BEC时，克莱普纳与戈雷泰克实现了氢的BEC。

克莱普纳于1976年至1979年担任麻省理工学院物理系原子、等离子体和凝聚态物理系主任。1985年，他被任命为莱斯特·沃尔夫物理学教授。当他于1966年建立麻省理工学院原子物理小组时规模很小，但最终在2012年成为了《美新周刊》报道的全国排名第一的原子物理小组。克莱普纳是这方面卓越的领导者。1987年至2000年，他担任麻省理工学院电子学研究实验室主任，并于2001年担任执行主任。2000年，克莱普纳获得了美国国家科学基金会的资助，共同创立了麻省理工学院—哈佛大学超冷原子中心，这是麻省理工学院与哈佛大学的一项合作项目，将麻省理工学院的电子实验室与哈佛大学物理系联合起来，以探索超冷原子和量子气体的物理学。克莱普纳在2006年之前一直担任该中心的主任，该中心学者包括麻省理工学院教授克特勒、大卫·普里查德(David Pritchard，美国科学院院士)、弗拉登·范尔泰克(Vladan Vuletic，著名量子计算机公司QuEra的共同创建人)、马丁·兹维勒(Martin W. Zwierlein)、葆拉·坎佩腊(Paola Cappellar)和艾塞克·庄(Isaac Chuang，量子计算机的先驱)等。

02 对教育和社会的贡献

克莱普纳是位优秀的教师，培养了一代又一代的物理学家，他指导了23名博士生，这些博士生后来在著名大学取得了职位并获得了重大科学奖项。

克莱普纳和拉姆齐于1972年撰写了广泛使用的教科书《快速微积分》(该书的第三版于2022年由麻省理工学院物理系的Peter Dourmashikin (力学课程负责人)更新)。克莱普纳还与Robert J. Kolenkow一起于1973年撰写了《力学导论》，并于2013年出版了第二版。麻省理工学院物理系主任Deepto Chakrabarty 称其为“杰作”：“50多年来，它为潜在的物理专业学生奠定了我们新生课程的基础，它提供了一个深刻的、优雅且数学复杂的美国物理专业经典力学入门教材。”

克莱普纳于1997年被授予美国物理教师协会的奥斯特奖章，并因其代表原子物理学为麻省理工学院和社会所做的服务而获得了享有盛誉的1995—1996年James R. Killian Jr.教师成就奖。“他慷慨地投入了自己的时间和精力来制定国家科学政策，他作为教师、行政人员和导师为麻省理工学院服务，表现出色”，教师成就奖委员会的证书上写道。

克莱普纳积极参与物理学和公共政策之间的联系，曾在30多个委员会任职。他是美国物理学会(APS)公共事务小组(POPA)的成员，担任物理规划委员会和原子、分子和光学物理部的主席，并为一项关于年轻物理学教授的成长和指导的研究做出了贡献。他主持了美国国家科学院的一份原子物理报告，并在多个国会委员会提交了该报告，在美国国家研究委员会的物理调查委员会任职，并担任国际纯粹与应用物理学联合会原子和分子物理委员会的主席。

2003年，克莱普纳与人合作撰写了一份极具社会影响力的报告，这是一份由美国物理学会(APS)杂志《现代物理学评论》特别增刊上发表的“关于国家导弹防御的助推阶段拦截的研究”报告，该报告研究了助推阶段拦截的技术可行性，这是美国总统布什提出的有争议的战略防御计划(SDI)的核心概念，也称“星球大战”计划。报告重点分析了在导弹助推阶段拦截的物理和工程挑战，该报告有助于公众了解激光武器不能做什么以及它们能做什么，“从技术上讲，除非在非常有限的情况下，否则它真的不会成功”，克莱普纳说。在这篇报告发表后，“(SDI)最终慢慢地消失了，这份报告可能促成了这一点”，克特勒说。普里查德补充道，“它极大地改变了国家的道路”。

克莱普纳是美国国家科学院院士、艺术与科学院、科学促进会、法国科学院和美国哲学会的院士。他获得了许多奖项，包括2005年著名的沃尔夫奖，“以表彰他在氢系统原子物理学方面的开创性工作，包括对氢激射器、里德伯原子和玻色—爱因斯坦凝聚的研究”。其他荣誉包括2014年富兰克林奖章和2006年由美国总统布什颁发的国家科学奖章(图2)。他还获得了弗雷德里克·艾夫斯奖章(2007年)、威廉·梅格斯奖(1991年)、李利菲尔德奖(1991年)和戴维森—格默奖(1986年)。

图2 2006年，美国布什总统给克莱普纳颁发国家科学奖章

03 北京大学学人的友谊

第一次见到克莱普纳是在2006年7月奥地利因斯布鲁克的国际原子物理大会(ICAP)上，这是我第一次参加原子物理领域的国际学术会议，大会的第一个报告人就是克莱普纳，他讲述了原子物理的发展历程，报告十分精彩，深深吸引了我，从中了解到很多原子物理发展过程中不为人所知的有趣故事。会后，我讲着不熟练的英语，向克莱普纳请教原子物理的问题，他一点没有嫌弃，非常耐心地倾听问题，并进行了专业解答。他这种和蔼可亲的态度让我非常感动，于是主动邀请他到北京大学访问并指导工作。

2007年4月，他与夫人毕鹊斯·克莱普纳(Beatrice Kleppner)正式访问北京大学，与中国的原子物理学者进行了深入地交流，并参观了我的实验室(图3)。那时，我的实验室很简陋，刚搭建成了一个铷原子玻色凝聚实验装置，得到了中国第一束原子激光，并通过BEC观察到了马约拉纳跃迁，该论文成为中国第一篇发表在国际刊物上有关BEC实验的论文。当时参观实验室时他给出不少建议，并与我的学生进行了指导性地讨论，学生们非常喜欢这位爷爷辈、德高望重的国际著名科学家。

图3 2007年6月，作者向来访的克莱普纳介绍北京大学玻色—爱因斯坦凝聚实验室

2007年7月，我去美国参加国际激光光谱会议(ICOLS)，结束后去波士顿拜访克莱普纳，他非常热情地接待我，并让我住在家中，这是我第一次住在一位美国著名科学家的家里，内心兴奋又感激。在波士顿的两周时间，他安排了很多参观，特别是麻省理工学院和哈佛超冷原子中心的参观，让人大开眼界，深入了解到世界上一流的科学研究是如何进行的，同时也认识了很多著名科学家，如克特勒、范尔泰克、兹维勒、艾塞克·庄、Jhon Doyle(哈佛大学教授，现任美国物理学会主席)等(图4)。先进的科学研究和科学管理让人心生向往，因此，经我指导和推荐，一共有五位学生去超冷原子中心攻读博士，其中陈文兰博士已经回到清华大学担任副教授。

图4 2007年在麻省理工学院教授餐厅(从右至左：艾塞克·庄，克特勒，克莱普纳，陈徐宗)

期间正巧赶上美国国庆节，与克莱普纳全家人都见了面，大家对我很热情，使我享受到了一个大家庭的温暖，也让我真正了解到美国家庭的真实一面，感受到了美国家庭中父母对孩子藏在心中的关爱，这一点可能与任何国家都一样。不一样的是克莱普纳作为一家之主，主动承担了很多技术难度很高的家务活，如搭建了家中的厨房，帮孩子们建造了花园中的秋千，另外他还有做木工工艺的爱好。这趟旅程使我了解到一位举世闻名的科学家背后的家庭观念和优秀品德。

之后，我多次访问过克莱普纳，2014年那次时间比较长，也住在他家，与他的朋友一起讨论各种问题，非常愉快。当时我在北京大学教力学，交谈中得知他教了40年力学，并撰写了样板教材《力学导论》，此后我也将这本教材列入了力学课程的重要参考书，之后这本教科书被北京大学物理学院翻译成中文，在国内有着很重要的影响力。

图5 2016 年北京大学英杰交流中心的大学物理教学论坛上，克莱普纳与中国学者交流

2016年，克莱普纳夫妇再一次访问北京大学，在大学物理教学论坛作了精彩的报告——The evolution of physics teaching at the Massachusetts Institute of Technology，中国很多著名大学的校长、物理系主任、著名教授参加了此次会议，通过他的报告，大家对麻省理工学院先进的教学理念有了深刻的理解(图5)。在北京大学访问期间，克莱普纳还参加了我们组会，与学生进行了讨论，耐心解答了问题，这些指导和启发给学生们在精神上带来了巨大的激励，其中两名学生，项晶罡、刘童童申请到麻省理工学院物理系攻读博士学位。期间，克莱普纳夫妇也访问了我家，我的家人也成了他们的好朋友。除此之外，克莱普纳还分别在清华大学和中国航天科工二院作了关于氢原子蒸发冷却和玻色凝聚，以及氢原子钟发明的报告，得到了听众的高度赞赏。报告之后，克莱普纳参观了很多实验室，并与中国学者做了深入交流，受到中国学者的热情接待。在访问中，我们也发现克莱普纳对历史和现代艺术有着浓厚的兴趣。

2017年，我与同事代表北京大学信息科学技术学院再一次访问麻省理工学院，希望建立长期的学生培养合作。克莱普纳热情地帮助我们联系了电子学研究实验室主任、麻省理工学院的副校长商量合作事宜，并联系了十多位教授与我们交流，讨论合作暑期实习之事。期间，克莱普纳还安排我们参观了超冷原子中心的很多实验室，我们受益匪浅，回来后北京大学进行了课程更新和改革，并在量子模拟和量子计算研究方面进行了新布局，使量子科学研究在北京大学有了更好的发展。

2019年，我受英国物理学会

Reports on Progress in Physics

杂志的邀请，撰写一篇综述文章，题目是“The emergence of pico-Kelvin physics”，主要回顾从蒸发冷却技术开始，人们如何试图摆脱地球引力的影响，将原子的温度降到pK (10 -12 K)，克莱普纳知道后，主动提出帮助修改论文。当我把31页的文稿寄给他后，他逐字逐句地帮忙修改文字和段落，还与我多次讨 论内容，并提出修改意见，经他修改和润色后的文章更加通顺和优雅。2000年论文发表前，我邀请他当文章的作者，他谦逊地说只要在文章末尾致谢就行，让我十分感动。也是在他的鼓励下，我负责的中国空间站冷原子柜科学实验取得了重要突破，温度进入了pK的量级——创造了人类冷却物质温度的新记录。

图6 2023年作者与克莱普纳于波士顿麻省理工学院社区

最近一次访问克莱普纳是2023年的7月，那年正好在丹佛举办ICOLS国际会议，我在回国途中顺便访问了他(图6)。很巧，他女儿Sofie Kleppner (斯坦福大学生命学院副院长)回来探亲，所以我又一次与他们全家见面，可惜时间很短暂。期间，他们热情地领我去同事家访问交流，最后与力学课程负责人托马斯奎博士交流力学教学和麻省理工学院课程设置，使我收获良多。分别时，我还对克莱普纳说，请他保重身体，我会很快回来看他。没想到他在2025年6月突然离开我们，我们全家以及北大的同事们得知此消息后都陷入到深深的悲痛之中，大家缅怀克莱普纳对世界科学和中国的贡献，他发明的氢钟推动了守时原子钟研究，从而我们得以建立了北斗卫星定位系统，他开创的蒸发冷却方法推动了中国冷原子物理、量子模拟和量子精密测量的研究，他的里德伯原子和腔量子电动力学推动了中国中性原子量子计算机和超导量子计算机的研究热潮。克莱普纳对科学的追求和对教学的热爱以及生活中的谦虚和幽默是我和同事们的榜样，他对同事和朋友的关怀和帮助，对我们是一种巨大的激励。与他相聚相处的点点滴滴，永远是我们全家和北大学人的温暖回忆。

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