1985年诺贝尔物理学奖得主冯·克利钦向公众演示“秒”的测量方法演变

（摄影：杨浦东）

　　1879年，美国物理学家霍尔发现了一个奇特的效应：当把通有电流的导体放在磁场中的时候，在导体的侧壁会测量到一个电压差。这就是霍尔效应。霍尔效应跟磁场成线性关系，就是说当磁场越强的时候，霍尔效应越明显。这就好像一个人在斜坡上行走，越往前走，爬得也越高。 100年后的1980年，德国物理学家克劳斯·冯·克利钦发现，当施加的磁场很强时，霍尔效应与磁场不再是简单的线性关系，而是出现了一个个奇怪的平台，并且每个平台对应的数值都是固定不变的，也就是量子化的，这就是量子霍尔效应。这相当于，一个人在斜坡上走着走着，突然前面的斜坡变成了一个个台阶。

　　冯·克利钦的研究得出：量子性的曲线电阻最小的单位由两个物理常数——普朗克常数h和电子电荷e决定，这意味着电阻事实上是一个物理常数。由此，他开启了对于精密物理量进行定义的新方法。比如，“千克”是目前唯一一个仍然使用人工制品作定义的国际单位，用以定义“1千克”的是“国际千克原器的质量”。该原器存放在位于巴黎的国际计量局密闭保险柜的三层玻璃罩内，需要同时使用三把不同的锁才能打开。即便如此，其质量还是随时发生着不明的改变。冯·克利钦发现的量子霍尔效应则提供了用更靠谱的宇宙常量来定义“千克”的方法。这意味着只要实验条件许可，科学家就可以用基于普朗克常数的固定值替代国际计量局玻璃罩内的铂铱合金块，在世界任何地点精准复现“千克”。这对于以精准为目标的实验物理学家来说，无疑是重大的利好消息。

　　近日，当神采矍铄、帅气不让年轻人的冯·克利钦站在上海科学会堂主题为“对话诺奖大师——一米究竟有多长”的科协大讲坛上，手持一个用棉线和小铁块制成的简单钟摆装置亲自向公众现场演示时间单位“秒”的测量方法演变时，基础科学中抽象的理论问题在公众眼里变得具体可感。

　　“对单位的认识是人们理解这个世界的基础。”据热衷推动基本单位“量子化”的冯·克利钦介绍，6个月前，在法国召开的第25届国际计量大会宣布，将用量子制重新定义长度以外与人们生活息息相关的6个基本计量单位，包括千克、秒、安培、开尔文、摩尔和坎德拉，分别用于测量质量、时间、电流强度、温度、物质的量和发光强度。而在过去，这些基本单位由于不是常量而难以统一。随着人们对世界的探索需要越来越精确的计量，不统一的单位甚至已经导致了科研悲剧，比如美国发射火星探测器失败，原因之一就是实行的计量单位“英尺”与国际通行的米制单位不统一。

　　跨越国界的交流是最大的快乐

　　克劳斯·冯·克利钦出身于一个古老的勃兰登堡贵族家庭，德国的一些城堡至今以其家族的姓命名。当记者有幸坐下来面对面向他提问：“做一个科学家最快乐的事是什么？”时，这个从小在迁徙中生活的人的回答是：跨越国界的交流、视野和友谊。他娓娓回忆说：“阿姆斯特朗登月后，曾经告诉我，当他从月球上看地球时，才知道地球只是浩渺宇宙中小小的一颗星球，而美国更绝对不是宇宙的中心。很多时候，我们需要外在的视角去看待一个问题，才能得到更好的理解和发现。在一个地方呆5年，你就几乎可以了解那里的全部，这个时候，你就应该有所移动了。”

　　被问及遗憾时，他腼腆地笑着半自嘲：“我太太总是抱怨我工作时间太长，常常在后半夜才回到家。孩子们则说，只有在看电视的时候才可能看到我——因为我的作息总是和他们缺少交集。这没有办法，作为一个科学家，你必须永远站在最前沿。”——事实上，发现量子霍尔效应的决定性试验正是在1980年2月5日的夜晚进行的。而他获聘大学教授，则是因为他在试讲的课堂里放了一台原子钟，课程在正好到达45分钟时圆满结束，所有参加评审的教授都很高兴。

　　探索的脚步从不停息

　　克利钦43岁得诺奖，自己觉得太早了，甚至有些被这个奖项所牵绊，因为从那以后，“好像你就要承担起改变社会的责任一样，你面临的压力越来越大。很多人指望着你去做各种解答，很多人会任意利用你的话，去呼吁一些事，以达到他们自己在政治或经济上的目的。”比如有几位东欧科学家自称因为参与另一个国家的核研究而被捕，向克利钦求助。克利钦表示：“这些信件我会转给相关的大使馆，但其实在专业领域以外，我和普通人一样，获得信息的渠道并不比大家更多，这些科学研究之外的事情，让我感到压力很大。政治比科学更复杂。”他想把全部精力专注于去取得科学领域新的突破，而不是应对获奖后对形形色色来访的接待、对各个领域仿佛他都必须懂得的问题的回答。“人总不能永远歇在诺奖的最后一杯咖啡上。谁说得了最高奖以后就不能再得小奖？我觉得这并不容易，相反，一步步朝前得到越来越大的奖反而容易得多。”温文尔雅而又直言不讳的克劳斯·冯·克利钦是记者们公认“很正常”的科学家：爱交流、爱美食，亲和生动，但即使如此，他和记者见过的每一位真正的科学家一样，脚步从不停息。

　　冯·克利钦1984年当选为马普学会固体研究所所长，次年获得诺贝尔物理学奖。记者和他开玩笑说：“他们眼光很好啊！”他立刻严肃地声明：“那可是个非常复杂的过程，经过了外部专家的层层筛选，完全是从专业水准出发的。但是，一旦当选，就是终身制的，我有经费、人事任命等各种自由。从那以后，我不再为钱发愁，这对动辄几十年的基础研究至关重要。我不需要为每一笔经费的使用打一个申请报告，也没有人会来问我为什么要花那笔钱。马普学会是致力于基础研究的非营利性研究机构，德国联邦和州政府给我们经费上的支持，但学术带头人可以自由选择研究课题，政府从不干涉我们的研究，我们是自由科学家。只要干完工作，我爱上哪儿上哪儿，可以周游世界。我认为这对于启发思维是很重要的。”“自由”这个词在他的话语中频频出现，记者问他：“就没有任何约束吗？”（其实心里琢磨着如果一个专业好的人人品不好，被选上了所长怎么办。）他回答说：“对于我们所从事的研究项目，每两年会有一次小评估，每六年一次大评估，各个所的项目放在一起打分，名词排在后面的，经费就会被削减。”

　　据说，马普学会在上海差点就有了个分会，最终流产的原因是出资人想要干预、控制科学。这在德国科学界看来是不可接受的。

　　“科学家要随时改进自己的知识结构”

　　看起来几乎像是含着幸运的金钥匙出生，但在冯·克利钦自己看来，他的科研道路也不不是一帆风顺。第一次发布论文时，因为理解过于新颖而无人认同，后来经过反复的沟通，文章才得以发表。“随着我们不断地去挖掘细节本身，一些意料之外的惊喜会出现。”他对向他提问“有什么样的灵感才能去做这些新的试验？”的现场学子说，除了兴趣，一个优秀的科学家还要勇于、乐于接受变化，用积极的态度去面对变化，这是对科学必须具备的热情。“作为一个科学家，需要时刻保持好奇心，哪怕你已经是那个站在巅峰的人。作为科学家需要对自然的观察有一些反馈，反过来才能够改进自己的知识结构，也可以提出新的问题，即使是没有应用价值也不要停止提问的脚步。各种观察结果背后，都存在着科学的解释，也许未知的科学就会从你的下一个提问开始被发现。”

　　他认为自己能够获诺贝尔奖，很大程度上源于对于实验中意外发现的敏锐。对于不久前清华大学团队发现量子反常霍尔效应，他评价说：“这是一个很有价值的发现，能够对社会生活产生巨大的影响，也有可能是中国科学家获得诺贝尔奖的好机会。”但他同时强调，物理现象本身较复杂，总是会有难以预知的问题出现，要想把这个现象彻底搞清楚，还需要更多的探索。