物理學(xué)獎(jiǎng)操縱光的藝術(shù)

苗千

這三位科學(xué)家主要在兩個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行研究：已經(jīng)96歲高齡、仍在繼續(xù)研究工作的阿什金博士利用連續(xù)的激光束在微觀領(lǐng)域進(jìn)行操作，而穆魯與斯特里克蘭師徒則研究持續(xù)時(shí)間短暫，但是功率超強(qiáng)的激光脈沖。這三個(gè)人把人類對(duì)于激光的操作發(fā)展到極致，為人類認(rèn)識(shí)自然和探索自然界全新的領(lǐng)域提供了寶貴的工具。

與人類通常理解的多種顏色、方向混雜的白光不同，激光是一種物質(zhì)在受到激發(fā)狀態(tài)下發(fā)出的，光子的波長(zhǎng)、方向乃至偏振都一致的光線。關(guān)于激光最早的理論研究，源于愛因斯坦在1917年根據(jù)量子理論做出的有關(guān)物質(zhì)輻射的研究。此后科學(xué)家們一直對(duì)激光進(jìn)行各種探索，直到1960年5月，美國物理學(xué)家西奧多·梅曼（Theodor Maiman）在位于美國馬里布的HRL實(shí)驗(yàn)室制造出了第一束人造激光。

2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者熱拉爾·穆魯

自從有了第一束人造激光，當(dāng)時(shí)還在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作的阿瑟·阿什金就開始思考應(yīng)該怎樣去利用激光進(jìn)行各種工作。光具有能量，光線也會(huì)對(duì)照射的物體產(chǎn)生推力，問題在于這種推力太小，人根本無法感受到，因此想利用激光推動(dòng)巨大的物體不大可能實(shí)現(xiàn)。但阿什金意識(shí)到，方向性極強(qiáng)的激光束可能非常適用于像鑷子一樣移動(dòng)微小的物體。

阿什金先是試著利用激光束照射微米級(jí)別的透明圓球，正如他所設(shè)想的一樣，小球在激光的推動(dòng)下移動(dòng)了。他還發(fā)現(xiàn)，在激光的作用下，小球會(huì)向著激光束的中心，也就是激光束能量最強(qiáng)的地方移動(dòng)。其中的原理在于，激光束在中心位置最集中，而它的強(qiáng)度逐漸由內(nèi)向外減弱，因此當(dāng)激光束照射小球，光束外圍相對(duì)較弱的各部分產(chǎn)生的合力把它向激光束的中心推動(dòng)——在宣布諾貝爾獎(jiǎng)的新聞發(fā)布會(huì)上，一位諾獎(jiǎng)委員會(huì)的成員在視頻里用一個(gè)吹風(fēng)機(jī)和一個(gè)乒乓球清晰地展示出了這個(gè)效應(yīng)——隨后阿什金又利用透鏡對(duì)激光進(jìn)行聚焦，小球也隨之移動(dòng)到了激光束最強(qiáng)的位置。

這種利用激光束操縱微小物體的“光鑷”（Optical Tweezers）誕生了。1986年，阿什金在《光學(xué)快報(bào)》（Optical Letters）雜志發(fā)表了開創(chuàng)性的論文：《對(duì)單光束梯度力光井對(duì)于介電粒子作用的觀察》（Observation of a Single-Beam Gradient Force Optical Trap For Dielectric Particles）。在克服了一系列困難之后，阿什金實(shí)現(xiàn)了利用光鑷技術(shù)來操縱細(xì)菌，甚至是單個(gè)的原子。其中的困難在于，想要操縱原子就需要更強(qiáng)的光鑷，而與此同時(shí)還要小心不能讓原子被光鑷加熱，這就需要事先降低原子的速度，這也隨之開創(chuàng)了另一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。

而阿什金的興趣主要集中在如何利用光鑷技術(shù)研究生物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)制。

阿什金發(fā)現(xiàn)，利用綠光光鑷可以形成一個(gè)“光井”，困住細(xì)菌的移動(dòng)，但這樣做的同時(shí)激光束也會(huì)殺死這些細(xì)菌，于是他改用能量更低的紅外線光鑷來研究細(xì)菌的活動(dòng)和繁殖情況。他意識(shí)到了這項(xiàng)技術(shù)的巨大潛力，并且開始以此來研究微生物系統(tǒng)。利用愈發(fā)精湛的光鑷技術(shù)，阿什金甚至可以直接深入到細(xì)胞的內(nèi)部進(jìn)行操作而不會(huì)破壞細(xì)胞膜。根據(jù)他的發(fā)明，如今在很多生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室里，光鑷技術(shù)已經(jīng)成為研究分子、DNA甚至細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)工具。如同科幻成為現(xiàn)實(shí)，通過操縱光來操縱微觀領(lǐng)域里極其細(xì)小的粒子乃至生物，使光鑷技術(shù)在工業(yè)和醫(yī)療上都有了非常重要的應(yīng)用，并且有了更廣闊的前景。

穆魯與斯特里克蘭師徒則是在另一個(gè)領(lǐng)域?qū)す馐M(jìn)行研究。自1960年人類第一次制造出了激光束之后，科學(xué)家們就一直試著利用調(diào)Q技術(shù)（Q-switching）和鎖模技術(shù)（Mode-locking），不斷提高激光束的功率。但是這兩項(xiàng)技術(shù)卻在幾年之后就遇到了瓶頸。從20世紀(jì)60年代中期到80年代中期，這20年的時(shí)間里，激光束的功率很難再顯著上升。

當(dāng)時(shí)在美國羅切斯特大學(xué)工作的穆魯從雷達(dá)技術(shù)中受到啟發(fā)，他希望利用一種全新的方法進(jìn)一步增強(qiáng)激光束的功率。1985年，剛剛從加拿大來到美國跟隨穆魯學(xué)習(xí)、還是一年級(jí)博士生的斯特里克蘭開始進(jìn)行一項(xiàng)全新的研究。為了不至于因?yàn)楣β侍蠖鴵p壞功率放大器，這對(duì)師徒想到了首先在時(shí)間上對(duì)激光束進(jìn)行延展，以降低它的功率峰值，然后利用放大器對(duì)激光束進(jìn)行放大，最后再把激光在時(shí)間上進(jìn)行壓縮，使激光束在極短的時(shí)間里達(dá)到極高的功率，最終就有可能達(dá)到在不損傷功率放大器的基礎(chǔ)上產(chǎn)生出功率極高的激光脈沖。

在穆魯?shù)闹笇?dǎo)下，斯特里克蘭利用一段1.4公里長(zhǎng)的光纖終于制造出了功率極高的激光束脈沖，打破了此前持續(xù)了20年之久的困境。而這項(xiàng)技術(shù)也早已成為人類制造高能激光束脈沖的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，被稱作“啁啾脈沖放大”（Chirped Pulse Amplification，簡(jiǎn)稱CPA），因?yàn)樗c鳥的鳴叫有相似之處，頻率越來越高。

功率極高、持續(xù)時(shí)間極短的激光脈沖，在人類的生活中可以有各種各樣的應(yīng)用。人類可以利用這樣的激光脈沖來觀察和操縱尺度極小、速度極快的物體以及相互作用的過程。借助著“啁啾脈沖放大”技術(shù)，在最近30多年時(shí)間里，人類不斷創(chuàng)造新的紀(jì)錄，制造出功率越來越高的激光脈沖。借助這種奇異的光，人類有機(jī)會(huì)觀察電子的運(yùn)動(dòng)，操縱化學(xué)鍵，也可以對(duì)材料進(jìn)行切割、打孔，甚至可能改變材料的性質(zhì)。高功率激光脈沖被大范圍地應(yīng)用到微電子技術(shù)，甚至是醫(yī)療實(shí)踐中，例如醫(yī)生會(huì)在治療近視的手術(shù)中利用這種不會(huì)給人眼造成創(chuàng)傷的激光束進(jìn)行校正。

這三位物理學(xué)家研究人類最熟悉，也最難把握的光。他們從最基本的物理定律出發(fā)，所做出的研究成果卻影響了人類生活的方方面面，啟發(fā)了更多的研究者，如今獲得這項(xiàng)學(xué)術(shù)界的最高榮譽(yù)可謂實(shí)至名歸。

（本文寫作參考了諾貝爾獎(jiǎng)網(wǎng)站的報(bào)道）

誰在競(jìng)爭(zhēng)諾貝爾獎(jiǎng)？

物理學(xué)

戴維·奧沙隆

David Awschalom，美國

阿瑟·C.戈薩德

Arthur C. Gossard，美國

主要貢獻(xiàn)：觀測(cè)半導(dǎo)體中的自旋霍爾效應(yīng)。這項(xiàng)對(duì)電子在磁場(chǎng)影響下如何表現(xiàn)的研究有望在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，包括量子計(jì)算。

戴維·奧沙隆，生于1956年，美國凝聚態(tài)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，國際知名的自旋電子學(xué)和量子信息工程領(lǐng)域科學(xué)家，美國科學(xué)院、美國工程院以及美國藝術(shù)與科學(xué)院院士。他在伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校獲物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，其后在康奈爾大學(xué)獲物理學(xué)博士學(xué)位。他在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究包括應(yīng)用于高級(jí)計(jì)算、醫(yī)療成像、加密和其他技術(shù)領(lǐng)域的電子自旋及其控制。

阿瑟·戈薩德是加州大學(xué)圣巴巴拉分校材料與電子工程教授，美國工程院院士和美國科學(xué)院院士，之前是貝爾實(shí)驗(yàn)室的杰出成員。1982年他共同發(fā)現(xiàn)了分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)，2014年獲得美國國家技術(shù)與創(chuàng)新獎(jiǎng)?wù)隆?/p>

自旋電子學(xué)是凝聚態(tài)物理和微電子的交叉學(xué)科。戴維·奧沙隆和阿瑟·戈薩德在2004年首次通過實(shí)驗(yàn)，利用磁光克爾顯微鏡，在半導(dǎo)體材料砷化鎵的邊緣探測(cè)到了向上和向下的自旋電流分離的自旋霍爾效應(yīng)。這一工作極大地推動(dòng)了自旋電子學(xué)發(fā)展。此外，自旋電子學(xué)和傳統(tǒng)微電子相結(jié)合，有望極大地降低芯片能耗，這也是目前計(jì)算機(jī)發(fā)展的最大瓶頸。2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)公布前，自旋電子學(xué)曾被業(yè)界認(rèn)為是大熱領(lǐng)域。

桑德拉·M.法伯爾

Sandra M. Faber，美國主要貢獻(xiàn)：研究出確定星系的年齡、大小和距離的開創(chuàng)性方法以及對(duì)宇宙學(xué)的其他貢獻(xiàn)，包括對(duì)“冷暗物質(zhì)”的研究，該物質(zhì)被認(rèn)為是宇宙“丟失”的物質(zhì)。

作為今年唯一的天文學(xué)家，法伯爾是法布爾-杰克遜關(guān)系的共同發(fā)現(xiàn)者，也是使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡搜尋星系中心超大質(zhì)量黑洞團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者。

1972年，法伯爾加入加州大學(xué)圣克魯茲分校的利克天文臺(tái)，成為第一位女性工作人員。1979年，法伯爾與威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的約翰·加拉格爾共同發(fā)表了討論暗物質(zhì)存在證據(jù)的文章。上世紀(jì)80年代到本世紀(jì)初，法伯爾先后領(lǐng)導(dǎo)了包括“Seven Samurai”和“Nukers”等項(xiàng)目，推進(jìn)了人們對(duì)星系、暗物質(zhì)和超大質(zhì)量黑洞之間關(guān)系的認(rèn)識(shí)。

法伯爾致力于研究宇宙的結(jié)構(gòu)與星系的形成和演化。她于2012年獲得了天文界最高榮譽(yù)之一的布魯斯獎(jiǎng)?wù)拢?013年獲得美國國家科學(xué)獎(jiǎng)?wù)拢?017年獲得格魯伯宇宙學(xué)大獎(jiǎng)。

除了科學(xué)研究工作以外，她還參與了大科學(xué)裝置的建造，她是目前口徑最大的光學(xué)天文望遠(yuǎn)鏡凱克望遠(yuǎn)鏡（Keck telescope）的設(shè)計(jì)者之一。目前法伯爾正在致力于推動(dòng)加州大學(xué)圣克魯茲分校下屬的地球未來研究所和加州大學(xué)系統(tǒng)下屬的起源與深度時(shí)間研究中心。在這兩個(gè)機(jī)構(gòu)中，來自包括但不限于天文學(xué)、地球科學(xué)、生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、政治學(xué)等各個(gè)學(xué)科的精英學(xué)者們將從100萬年的時(shí)間尺度上思考地球和人類的未來。（整理：王雯清）