“光鑷”之父逝世：利用光之力操控細(xì)胞，曾為最高齡諾獎(jiǎng)得主

張博佳

亞瑟·阿什金因成功探索如何利用激光束抓取粒子、原子、分子和活細(xì)胞，以進(jìn)行更深入的研究，他于2018 年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。他稱自己的發(fā)明為“光鑷”。光鑷——更確切地說是光學(xué)阱，是利用高度聚焦的激光束的壓力來操縱從原子到活細(xì)胞的微觀物體，如病毒和細(xì)菌。這一功能在研究和理解生命基本組成部分的科研工作中，具有開創(chuàng)性的實(shí)際應(yīng)用。時(shí)至今日，科研人員已經(jīng)在廣泛使用光鑷。

阿什金發(fā)明光鑷的過程，純屬偶然。1966 年，阿什金擔(dān)任貝爾實(shí)驗(yàn)室激光研究部門的負(fù)責(zé)人。一次，他正在菲尼克斯參加學(xué)術(shù)討論會(huì)。會(huì)中，他聽到兩位研究人員在討論一件奇怪的事情，是他們?cè)谘芯苛昵鞍l(fā)明的激光時(shí)發(fā)現(xiàn)的：光束內(nèi)的塵埃粒子前后傾斜。他們推測(cè)，可能是光壓力的原因。阿什金進(jìn)行了計(jì)算，最終得出不是光壓力——最有可能的是熱輻射。但這項(xiàng)研究重新點(diǎn)燃了阿什金童年時(shí)對(duì)光壓力的熱情。

光排斥一切，包括人，因?yàn)樗藬?shù)以萬計(jì)被稱為光子的微小粒子。大多數(shù)時(shí)候，光的壓力是無關(guān)緊要的，比如人對(duì)此是沒有感覺的。但阿什金認(rèn)為，如果物體足夠小，就可以用激光控制它們。阿什金用一個(gè)微小的透明玻璃球做實(shí)驗(yàn)，激光的光子可以穿過這個(gè)玻璃球，發(fā)現(xiàn)確實(shí)能夠推動(dòng)它。但意外的是，小球被吸引到光束的中心，并固定在那里。這一現(xiàn)象的原因與一個(gè)永恒的物理定律有關(guān)：動(dòng)量守恒。當(dāng)光子通過小球并被它偏轉(zhuǎn)時(shí)，球體的運(yùn)動(dòng)方向與偏轉(zhuǎn)光子的運(yùn)動(dòng)方向相反。因?yàn)樵诠馐闹行挠懈喙庾?，所以球體被推向中心。阿什金意識(shí)到，使用兩束相對(duì)的光束，就有可能捕獲并移動(dòng)微小的物體。這一發(fā)現(xiàn)具有里程碑意義，相關(guān)文章發(fā)表在 1970 年的《物理評(píng)論快報(bào)》上。

16 年后，阿什金和包括朱棣文在內(nèi)的幾位同事，實(shí)現(xiàn)了光鑷的第一次實(shí)際應(yīng)用，他們通過一束激光穿過透鏡來操縱微觀物體。朱棣文使用光鑷?yán)鋮s和捕獲原子，這是一項(xiàng)突破，他也因此與另兩位學(xué)者共同分享了 1997 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。諾貝爾委員會(huì)在頒獎(jiǎng)時(shí)沒有認(rèn)可阿什金所做的基礎(chǔ)性工作。這讓他很惱火，但并未影響他的科研探索，他開始將光鑷用于另一種目的：捕捉活的生物體和生物材料。最初，其他科學(xué)家并不看好這一設(shè)想。直到阿什金能夠捕捉到包括單細(xì)胞草履蟲的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)和一種攻擊煙草植物的小病毒。這樣一來，觀察 DNA 的復(fù)制過程就成為可能。阿什金獲得了 2018 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半，另一半與法國的杰拉德 · 莫魯和加拿大的唐娜 · 斯特里克蘭分享。96 歲的他成為了當(dāng)時(shí)最高齡的諾獎(jiǎng)得主。第二年，約翰 ·B· 古迪納夫以 97 歲的高齡獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

阿什金于 1922 年 9 月 2 日出生在布魯克林。他的哥哥朱利葉斯也是一名物理學(xué)家，在二戰(zhàn)期間秘密研制原子彈的曼哈頓計(jì)劃中發(fā)揮了重要作用。從詹姆斯 · 麥迪遜高中畢業(yè)后，亞瑟跟隨朱利葉斯到哥倫比亞大學(xué)求學(xué)。他在哥倫比亞輻射實(shí)驗(yàn)室研究磁控管，磁控管產(chǎn)生的微波，是激光的前身。1947 年，阿什金博士于哥倫比亞大學(xué)畢業(yè)，在康奈爾大學(xué)學(xué)習(xí)核物理。1952 年在康奈爾大學(xué)獲得博士學(xué)位后，他加入了貝爾實(shí)驗(yàn)室，并在那里工作直到 1992 年退休。1963 年到 1987 年，他引領(lǐng)了實(shí)驗(yàn)室的激光科學(xué)部門。

除了光鑷，阿什金還發(fā)現(xiàn)了光折變效應(yīng)。光折變效應(yīng)可以暫時(shí)改變材料（尤其是晶體）對(duì)光的散射或彎曲。這種效果的實(shí)際用途包括制作臨時(shí)全息圖?？茖W(xué)家們認(rèn)為，這將導(dǎo)致更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)使用光而不是電來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

阿什金擁有 47 項(xiàng)專利，并于 2013 年入選美國發(fā)明家名人堂。阿什金從貝爾實(shí)驗(yàn)室退休后并沒有停止他的研究。當(dāng)他收到獲諾貝爾獎(jiǎng)的消息時(shí)，正在自家地下室里進(jìn)行一個(gè)改善太陽能收集的項(xiàng)目。而當(dāng)被問及是否會(huì)慶祝時(shí)，他說：“我正在寫論文。我不喜歡慶祝舊事物?！?/p>

（綜合整理報(bào)道）（編輯/萊西）