让光成为奇迹工具

北京时间10月2日17时50分，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2018年诺贝尔物理学奖授予美国科学家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）、法国科学家热拉尔·穆鲁（Gerard Mourou）和加拿大科学家唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland），以表彰他们“在激光物理领域的突破性发明”。

阿什金的贡献为“光学镊子及其在生物系统的应用”，穆鲁和斯特里克兰的贡献为“产生高密度超短光学脉冲的方法”。 今年获奖的发明彻底改变了激光物理学，现在人们可以用全新的眼光看待极小的物体以及令人难以置信的快速过程，这些先进的精密激光仪器，开辟了许多此前未开发的研究领域以及众多工业、医疗应用。

“光学镊子”改变了什么

随着当代的研发和技术应用走入更高阶段，人们往往要不断地“钻牛角尖”，比如在实验室中观测并分析极其微小的病毒、生物大分子，分毫不差地在眼球上进行微创手术等。要实现这些难度极高的操作，我们需要驾驭光，让光成为奇迹工具。

20世纪60年代开播的《星际迷航》系列科幻影视剧中，牵引光束可以用来取回物体，甚至是太空中的小行星，而无需物理接触。当然，这听起来就像是纯粹的科幻。但那时阿瑟·阿什金就有一个梦想：如果光束可以用來干活、移动物体，那有多好。

1960年第一台激光器发明后，阿什金立即开始用这个新机器在纽约城外的贝尔实验室进行实验。阿什金意识到，激光是用光束移动微观粒子的理想工具。他用激光照射微米尺寸的透明球体，果然，立即就能让这些小球移动。同时令阿什金惊讶的是，这些球体被吸到了光束中间—那里光强度最大。为什么呢？不管一束激光多么细锐，它的强度总是会由中心向边缘逐渐减弱。因此，激光给粒子的辐射压也会发生变化，将粒子推向光束中间，并把它们维持在中心位置。为了将粒子保持在光束方向上，阿什金又增加了一个高强度透镜来聚焦激光。于是，这些粒子便被吸向光强度最大的一点。这样一个光陷阱就诞生了。后来人们称这个陷阱为“光学镊子”。 在科学上，这个陷阱被称为“光学势阱”。阿瑟·阿什金发明的这种“光学镊子”，能够用一束高度汇聚的激光形成三维势阱来捕获、操纵极其微小的粒子，也就是说，让激光将小粒子推向光束中心，并将它们固定在那里，从而更好地操纵它们。

“啁啾脉冲放大”对人类的影响

热拉尔·穆鲁和唐娜·斯特里克兰发明了一种叫作“啁啾脉冲放大”的技术。那啁啾又是什么意思呢？它指的是鸟的叫声在不同时刻有不同的频率。原来，科研人员发现，激光脉冲的电磁波载频在脉冲持续时间内变化，类似于鸟叫的啁啾声，故名“啁啾”。中文译名的啁啾二字最早出自唐朝诗人王维《黄雀痴》中的诗句“到大啁啾解游颺，各自东西南北飞”。

激光是通过激光器中的链式反应创造出来的—这个过程中，光子生成了更多的光子。它们能以脉冲的形式发射出来。自从1960年激光被发明之后，研究者们就试图创造出更强的激光脉冲。然而，到了20世纪80年代中期，这条道路似乎走到了尽头。对于短脉冲而言，再增加光强，就会把放大材料给烧毁了。

穆鲁和斯特里克兰发现借助“啁啾”可调节激光脉冲时间宽度，这样可以避免脉冲放大时峰值功率过大，损坏激光器元件。他们发明的这种技术，能在放大激光的过程中，让激光在不同时刻呈现不同的频率。这种脉冲放大之后，再用另外一种技术把激光的频率同步起来，这样就能获得一个时间非常短、强度非常高的激光脉冲。通过这一技术，激光脉冲变得更短，强度变得更高。正是这项技术的发明，使得超快、超强激光得到了快速发展。

啁啾脉冲放大技术诞生后，对激光科学产生了革命性的影响。

啁啾脉冲放大技术能够让激光变得更强，有了强大的激光之后可以做很多事情，比如精准、低成本地为粒子加速，强激光带来的短脉冲可以以简单而不伤及眼球的方式来矫正视力。眼科改善近视的手术，即常说的飞秒激光，就是利用啁啾脉冲放大技术实现的。飞秒指的是激光的光波周期，1飞秒是千万亿分之一秒（即10-15秒），用这种超短波激光做手术的好处很大。这种超短波激光照射到材料后对焦点周围的损伤很小，于是像切削角膜这种要求精准度极高的任务，用飞秒激光就能保证切割面平整光滑，有利于患者手术后视力的恢复。这项技术极大地推动了医学的进步，超短、超强激光脉冲可以精确地对包括生物物质在内的各种材料进行高精细程度的切割，白内障屈光手术的进步正是受益于这项技术；这种脉冲还能用于制造微米尺度的手术支架，可以用来扩张和加固人体内的血管、尿道和其他通路，给数以千万计的患者带来福音。

啁啾脉冲放大技术在核物理、粒子物理等物理学分支中也得到广泛应用。利用这项技术，物理学家制造出超高速相机。利用飞秒量级的脉冲对原子和分子进行拍照，得以更好地洞察微观世界中的秘密。

新的激光技术直接带来许多行业标准的提升，凭借超快激光技术，我们能获得更强大的电子产品、更安全有效的医疗手段、更高效的太阳能电池、更好的催化剂和更强大的加速器。

两项技术使我们有了更好的测量工具

今年对激光应用的颁奖还有一个更大的意义，那就是让我们有了更好的测量工具。

测量是一项极其重要的技术工作，能测到更细微的领域，就能发现新的世界，描述新的世界的理论就有待突破。一旦突破之后，人类的人生观和价值观也会随之改变。

光学镊子出现之后，就可以在不接触被测物体的情况下，三维立体地观察极微小的物体。它们可能是没有生命的分子，也可能是构成生命基础的蛋白质和DNA，靠这项技术可以更深入地揭开生命的秘密。

而啁啾脉冲放大技术并不仅仅用于制造高功率的激光，它对一束光先延展、再压缩的技术后来也发展出一项高速摄影技术。在微观世界里，很多事情的发生都是没法记录的。比如电子会以1/4光速运动，在某些过程中，到底是A先发生B才随之变化，还是反过来呢？以前，科学家只能根据现有理论猜测，但现在有了一项新技术，可以把含有信息的一串光在时间上延展，我们就有机会看到千万亿分之一秒发生了什么，千万亿分之二秒又发生了什么。所以啁啾脉冲技术会大幅拓展人类观察世界的时间尺度。从前看起来连成一片的模糊信号，今后可能就会观察到很清晰的波形以及其中的含义了。

阿瑟·阿什金的研究历程

1970年，阿什金已经可以做到用单束激光约束一个悬浮在水中的聚苯乙烯颗粒了。几年后，通过技术改进，他可以同时用两束激光约束指定的微粒沿某个方向运动。1986年，阿什金把激光和显微镜结合在一起，做出了三维立体操控的功能。这时新的问题产生了，因为受到高强度激光的影响，微粒会剧烈地振动，在宏观上表现为温度剧烈升高，而温度上升后，微粒结构也会因此而改变。这不是阿什金想要的，他希望被约束住的微粒依然能维持原来的状态，那么就需要在约束微粒的同时，想办法降低微粒的振动幅度。不久，阿什金在这方面取得了实质突破，光学镊子诞生了。这种光学镊子能用激光束夹起粒子、原子和分子。它还能夹起病毒、细菌及其他活细胞，并能让它们在被检查和处理时保持完好。阿什金的光学镊子为观察和控制生命的机械过程创造了全新的契机。

三位获奖物理学家简介

阿瑟·阿什金：96岁仍在忙新研究

阿瑟·阿什金今年96岁了，他在接到瑞典皇家科学院的获奖通知电话时说，他暂时不能接受采访，因为他正在非常忙碌地进行一项最新的研究。

阿瑟·阿什金曾在哥伦比亚大学读书，在那里，他作为技术人员为美国军方的雷达设备制造磁控管。从哥大毕业后，阿什金考入康奈尔大学攻读核子物理学，并最终获得博士学位。20世纪60年代，在第一台激光器发明之后，阿什金立即开始在纽约郊外的贝尔实验室试验这台新设备。他意识到激光可以作为利用光束移动微小粒子的一种完美工具。此后，他开始进行用激光操纵微粒的工作，这导致1986年光學镊子的发明。许多人称他为光镊子研究领域之父。阿什金于1992年从贝尔实验室退休，但他在自己的家庭实验室里依然活跃，那里配备了他漫长而富有成效的职业生涯中曾使用过的一些设备。他赢得了一长串的奖项和荣誉：他是美国光学学会、美国物理学会、美国电气与电子工程师协会和美国科学促进会的会员；2009年，他被授予光学协会荣誉会员；他拥有47项专利，并新申请了另外两项专利。

热拉尔·穆鲁：喜欢在滑雪时思考科研问题

热拉尔·穆鲁是法国电气工程和激光领域的先驱，他于1944年出生于法国阿尔贝维尔，1973年从巴黎大学获得博士学位，随后前往美国，在圣地亚哥州立大学从事博士后工作。1979～1988年，穆鲁担任罗彻斯特大学的教授，并在此期间完成了得奖成果：啁啾脉冲放大。穆鲁在接受采访时说，他喜欢在滑雪时思考问题，他常常去布里斯托尔山滑雪度假村滑雪，在运动过程中往往能够解决一些科研上想不通的问题。

唐娜·斯特里克兰：第三位物理学奖女性得主

唐娜·斯特里克兰是历史上第三位获得诺贝尔物理学奖的女性。斯特里克兰生于1959年。她在美国罗彻斯特大学获得博士学位，导师正是同样获得今年诺贝尔物理学奖的热拉尔·穆鲁教授。她和穆鲁教授在20多年前就开始研究“啁啾调频脉冲放大”，她回忆起第一次参观激光实验室时，认为激光的颜色就像圣诞树。她说：“研究激光的一部分乐趣就在于与五颜六色的激光一起玩耍。”