讓光成為奇跡工具

龍學(xué)鋒

北京時(shí)間10月2日17時(shí)50分，瑞典皇家科學(xué)院在斯德哥爾摩宣布，將2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)科學(xué)家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）、法國(guó)科學(xué)家熱拉爾·穆魯（Gerard Mourou）和加拿大科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland），以表彰他們“在激光物理領(lǐng)域的突破性發(fā)明”。

阿什金的貢獻(xiàn)為“光學(xué)鑷子及其在生物系統(tǒng)的應(yīng)用”，穆魯和斯特里克蘭的貢獻(xiàn)為“產(chǎn)生高密度超短光學(xué)脈沖的方法”。 今年獲獎(jiǎng)的發(fā)明徹底改變了激光物理學(xué)，現(xiàn)在人們可以用全新的眼光看待極小的物體以及令人難以置信的快速過程，這些先進(jìn)的精密激光儀器，開辟了許多此前未開發(fā)的研究領(lǐng)域以及眾多工業(yè)、醫(yī)療應(yīng)用。

“光學(xué)鑷子”改變了什么

隨著當(dāng)代的研發(fā)和技術(shù)應(yīng)用走入更高階段，人們往往要不斷地“鉆牛角尖”，比如在實(shí)驗(yàn)室中觀測(cè)并分析極其微小的病毒、生物大分子，分毫不差地在眼球上進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)等。要實(shí)現(xiàn)這些難度極高的操作，我們需要駕馭光，讓光成為奇跡工具。

20世紀(jì)60年代開播的《星際迷航》系列科幻影視劇中，牽引光束可以用來取回物體，甚至是太空中的小行星，而無需物理接觸。當(dāng)然，這聽起來就像是純粹的科幻。但那時(shí)阿瑟·阿什金就有一個(gè)夢(mèng)想：如果光束可以用來干活、移動(dòng)物體，那有多好。

1960年第一臺(tái)激光器發(fā)明后，阿什金立即開始用這個(gè)新機(jī)器在紐約城外的貝爾實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。阿什金意識(shí)到，激光是用光束移動(dòng)微觀粒子的理想工具。他用激光照射微米尺寸的透明球體，果然，立即就能讓這些小球移動(dòng)。同時(shí)令阿什金驚訝的是，這些球體被吸到了光束中間—那里光強(qiáng)度最大。為什么呢？不管一束激光多么細(xì)銳，它的強(qiáng)度總是會(huì)由中心向邊緣逐漸減弱。因此，激光給粒子的輻射壓也會(huì)發(fā)生變化，將粒子推向光束中間，并把它們維持在中心位置。為了將粒子保持在光束方向上，阿什金又增加了一個(gè)高強(qiáng)度透鏡來聚焦激光。于是，這些粒子便被吸向光強(qiáng)度最大的一點(diǎn)。這樣一個(gè)光陷阱就誕生了。后來人們稱這個(gè)陷阱為“光學(xué)鑷子”。 在科學(xué)上，這個(gè)陷阱被稱為“光學(xué)勢(shì)阱”。阿瑟·阿什金發(fā)明的這種“光學(xué)鑷子”，能夠用一束高度匯聚的激光形成三維勢(shì)阱來捕獲、操縱極其微小的粒子，也就是說，讓激光將小粒子推向光束中心，并將它們固定在那里，從而更好地操縱它們。

“啁啾脈沖放大”對(duì)人類的影響

熱拉爾·穆魯和唐娜·斯特里克蘭發(fā)明了一種叫作“啁啾脈沖放大”的技術(shù)。那啁啾又是什么意思呢？它指的是鳥的叫聲在不同時(shí)刻有不同的頻率。原來，科研人員發(fā)現(xiàn)，激光脈沖的電磁波載頻在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)變化，類似于鳥叫的啁啾聲，故名“啁啾”。中文譯名的啁啾二字最早出自唐朝詩人王維《黃雀癡》中的詩句“到大啁啾解游颺，各自東西南北飛”。

激光是通過激光器中的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)創(chuàng)造出來的—這個(gè)過程中，光子生成了更多的光子。它們能以脈沖的形式發(fā)射出來。自從1960年激光被發(fā)明之后，研究者們就試圖創(chuàng)造出更強(qiáng)的激光脈沖。然而，到了20世紀(jì)80年代中期，這條道路似乎走到了盡頭。對(duì)于短脈沖而言，再增加光強(qiáng)，就會(huì)把放大材料給燒毀了。

穆魯和斯特里克蘭發(fā)現(xiàn)借助“啁啾”可調(diào)節(jié)激光脈沖時(shí)間寬度，這樣可以避免脈沖放大時(shí)峰值功率過大，損壞激光器元件。他們發(fā)明的這種技術(shù)，能在放大激光的過程中，讓激光在不同時(shí)刻呈現(xiàn)不同的頻率。這種脈沖放大之后，再用另外一種技術(shù)把激光的頻率同步起來，這樣就能獲得一個(gè)時(shí)間非常短、強(qiáng)度非常高的激光脈沖。通過這一技術(shù)，激光脈沖變得更短，強(qiáng)度變得更高。正是這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明，使得超快、超強(qiáng)激光得到了快速發(fā)展。

啁啾脈沖放大技術(shù)誕生后，對(duì)激光科學(xué)產(chǎn)生了革命性的影響。

啁啾脈沖放大技術(shù)能夠讓激光變得更強(qiáng)，有了強(qiáng)大的激光之后可以做很多事情，比如精準(zhǔn)、低成本地為粒子加速，強(qiáng)激光帶來的短脈沖可以以簡(jiǎn)單而不傷及眼球的方式來矯正視力。眼科改善近視的手術(shù)，即常說的飛秒激光，就是利用啁啾脈沖放大技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。飛秒指的是激光的光波周期，1飛秒是千萬億分之一秒（即10-15秒），用這種超短波激光做手術(shù)的好處很大。這種超短波激光照射到材料后對(duì)焦點(diǎn)周圍的損傷很小，于是像切削角膜這種要求精準(zhǔn)度極高的任務(wù)，用飛秒激光就能保證切割面平整光滑，有利于患者手術(shù)后視力的恢復(fù)。這項(xiàng)技術(shù)極大地推動(dòng)了醫(yī)學(xué)的進(jìn)步，超短、超強(qiáng)激光脈沖可以精確地對(duì)包括生物物質(zhì)在內(nèi)的各種材料進(jìn)行高精細(xì)程度的切割，白內(nèi)障屈光手術(shù)的進(jìn)步正是受益于這項(xiàng)技術(shù)；這種脈沖還能用于制造微米尺度的手術(shù)支架，可以用來擴(kuò)張和加固人體內(nèi)的血管、尿道和其他通路，給數(shù)以千萬計(jì)的患者帶來福音。

啁啾脈沖放大技術(shù)在核物理、粒子物理等物理學(xué)分支中也得到廣泛應(yīng)用。利用這項(xiàng)技術(shù)，物理學(xué)家制造出超高速相機(jī)。利用飛秒量級(jí)的脈沖對(duì)原子和分子進(jìn)行拍照，得以更好地洞察微觀世界中的秘密。

新的激光技術(shù)直接帶來許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的提升，憑借超快激光技術(shù)，我們能獲得更強(qiáng)大的電子產(chǎn)品、更安全有效的醫(yī)療手段、更高效的太陽能電池、更好的催化劑和更強(qiáng)大的加速器。

兩項(xiàng)技術(shù)使我們有了更好的測(cè)量工具

今年對(duì)激光應(yīng)用的頒獎(jiǎng)還有一個(gè)更大的意義，那就是讓我們有了更好的測(cè)量工具。

測(cè)量是一項(xiàng)極其重要的技術(shù)工作，能測(cè)到更細(xì)微的領(lǐng)域，就能發(fā)現(xiàn)新的世界，描述新的世界的理論就有待突破。一旦突破之后，人類的人生觀和價(jià)值觀也會(huì)隨之改變。

光學(xué)鑷子出現(xiàn)之后，就可以在不接觸被測(cè)物體的情況下，三維立體地觀察極微小的物體。它們可能是沒有生命的分子，也可能是構(gòu)成生命基礎(chǔ)的蛋白質(zhì)和DNA，靠這項(xiàng)技術(shù)可以更深入地揭開生命的秘密。

而啁啾脈沖放大技術(shù)并不僅僅用于制造高功率的激光，它對(duì)一束光先延展、再壓縮的技術(shù)后來也發(fā)展出一項(xiàng)高速攝影技術(shù)。在微觀世界里，很多事情的發(fā)生都是沒法記錄的。比如電子會(huì)以1/4光速運(yùn)動(dòng)，在某些過程中，到底是A先發(fā)生B才隨之變化，還是反過來呢？以前，科學(xué)家只能根據(jù)現(xiàn)有理論猜測(cè)，但現(xiàn)在有了一項(xiàng)新技術(shù)，可以把含有信息的一串光在時(shí)間上延展，我們就有機(jī)會(huì)看到千萬億分之一秒發(fā)生了什么，千萬億分之二秒又發(fā)生了什么。所以啁啾脈沖技術(shù)會(huì)大幅拓展人類觀察世界的時(shí)間尺度。從前看起來連成一片的模糊信號(hào)，今后可能就會(huì)觀察到很清晰的波形以及其中的含義了。

阿瑟·阿什金的研究歷程

1970年，阿什金已經(jīng)可以做到用單束激光約束一個(gè)懸浮在水中的聚苯乙烯顆粒了。幾年后，通過技術(shù)改進(jìn)，他可以同時(shí)用兩束激光約束指定的微粒沿某個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。1986年，阿什金把激光和顯微鏡結(jié)合在一起，做出了三維立體操控的功能。這時(shí)新的問題產(chǎn)生了，因?yàn)槭艿礁邚?qiáng)度激光的影響，微粒會(huì)劇烈地振動(dòng)，在宏觀上表現(xiàn)為溫度劇烈升高，而溫度上升后，微粒結(jié)構(gòu)也會(huì)因此而改變。這不是阿什金想要的，他希望被約束住的微粒依然能維持原來的狀態(tài)，那么就需要在約束微粒的同時(shí)，想辦法降低微粒的振動(dòng)幅度。不久，阿什金在這方面取得了實(shí)質(zhì)突破，光學(xué)鑷子誕生了。這種光學(xué)鑷子能用激光束夾起粒子、原子和分子。它還能夾起病毒、細(xì)菌及其他活細(xì)胞，并能讓它們?cè)诒粰z查和處理時(shí)保持完好。阿什金的光學(xué)鑷子為觀察和控制生命的機(jī)械過程創(chuàng)造了全新的契機(jī)。

三位獲獎(jiǎng)物理學(xué)家簡(jiǎn)介

阿瑟·阿什金：96歲仍在忙新研究

阿瑟·阿什金今年96歲了，他在接到瑞典皇家科學(xué)院的獲獎(jiǎng)通知電話時(shí)說，他暫時(shí)不能接受采訪，因?yàn)樗诜浅Ｃβ档剡M(jìn)行一項(xiàng)最新的研究。

阿瑟·阿什金曾在哥倫比亞大學(xué)讀書，在那里，他作為技術(shù)人員為美國(guó)軍方的雷達(dá)設(shè)備制造磁控管。從哥大畢業(yè)后，阿什金考入康奈爾大學(xué)攻讀核子物理學(xué)，并最終獲得博士學(xué)位。20世紀(jì)60年代，在第一臺(tái)激光器發(fā)明之后，阿什金立即開始在紐約郊外的貝爾實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)這臺(tái)新設(shè)備。他意識(shí)到激光可以作為利用光束移動(dòng)微小粒子的一種完美工具。此后，他開始進(jìn)行用激光操縱微粒的工作，這導(dǎo)致1986年光學(xué)鑷子的發(fā)明。許多人稱他為光鑷子研究領(lǐng)域之父。阿什金于1992年從貝爾實(shí)驗(yàn)室退休，但他在自己的家庭實(shí)驗(yàn)室里依然活躍，那里配備了他漫長(zhǎng)而富有成效的職業(yè)生涯中曾使用過的一些設(shè)備。他贏得了一長(zhǎng)串的獎(jiǎng)項(xiàng)和榮譽(yù)：他是美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)、美國(guó)物理學(xué)會(huì)、美國(guó)電氣與電子工程師協(xié)會(huì)和美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)的會(huì)員；2009年，他被授予光學(xué)協(xié)會(huì)榮譽(yù)會(huì)員；他擁有47項(xiàng)專利，并新申請(qǐng)了另外兩項(xiàng)專利。

熱拉爾·穆魯：喜歡在滑雪時(shí)思考科研問題

熱拉爾·穆魯是法國(guó)電氣工程和激光領(lǐng)域的先驅(qū)，他于1944年出生于法國(guó)阿爾貝維爾，1973年從巴黎大學(xué)獲得博士學(xué)位，隨后前往美國(guó)，在圣地亞哥州立大學(xué)從事博士后工作。1979～1988年，穆魯擔(dān)任羅徹斯特大學(xué)的教授，并在此期間完成了得獎(jiǎng)成果：啁啾脈沖放大。穆魯在接受采訪時(shí)說，他喜歡在滑雪時(shí)思考問題，他常常去布里斯托爾山滑雪度假村滑雪，在運(yùn)動(dòng)過程中往往能夠解決一些科研上想不通的問題。

唐娜·斯特里克蘭：第三位物理學(xué)獎(jiǎng)女性得主

唐娜·斯特里克蘭是歷史上第三位獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的女性。斯特里克蘭生于1959年。她在美國(guó)羅徹斯特大學(xué)獲得博士學(xué)位，導(dǎo)師正是同樣獲得今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的熱拉爾·穆魯教授。她和穆魯教授在20多年前就開始研究“啁啾調(diào)頻脈沖放大”，她回憶起第一次參觀激光實(shí)驗(yàn)室時(shí)，認(rèn)為激光的顏色就像圣誕樹。她說：“研究激光的一部分樂趣就在于與五顏六色的激光一起玩耍。”