物理學獎操縱光的藝術

苗千

這三位科學家主要在兩個領域進行研究：已經96歲高齡、仍在繼續研究工作的阿什金博士利用連續的激光束在微觀領域進行操作，而穆魯與斯特里克蘭師徒則研究持續時間短暫，但是功率超強的激光脈沖。這三個人把人類對于激光的操作發展到極致，為人類認識自然和探索自然界全新的領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，激光是一種物質在受到激發狀態下發出的，光子的波長、方向乃至偏振都一致的光線。關于激光最早的理論研究，源于愛因斯坦在1917年根據量子理論做出的有關物質輻射的研究。此后科學家們一直對激光進行各種探索，直到1960年5月，美國物理學家西奧多·梅曼（Theodor Maiman）在位于美國馬里布的HRL實驗室制造出了第一束人造激光。

2018年諾貝爾物理學獎獲得者熱拉爾·穆魯

自從有了第一束人造激光，當時還在貝爾實驗室工作的阿瑟·阿什金就開始思考應該怎樣去利用激光進行各種工作。光具有能量，光線也會對照射的物體產生推力，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巨大的物體不大可能實現。但阿什金意識到，方向性極強的激光束可能非常適用于像鑷子一樣移動微小的物體。

阿什金先是試著利用激光束照射微米級別的透明圓球，正如他所設想的一樣，小球在激光的推動下移動了。他還發現，在激光的作用下，小球會向著激光束的中心，也就是激光束能量最強的地方移動。其中的原理在于，激光束在中心位置最集中，而它的強度逐漸由內向外減弱，因此當激光束照射小球，光束外圍相對較弱的各部分產生的合力把它向激光束的中心推動——在宣布諾貝爾獎的新聞發布會上，一位諾獎委員會的成員在視頻里用一個吹風機和一個乒乓球清晰地展示出了這個效應——隨后阿什金又利用透鏡對激光進行聚焦，小球也隨之移動到了激光束最強的位置。

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《光學快報》（Optical Letters）雜志發表了開創性的論文：《對單光束梯度力光井對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，阿什金實現了利用光鑷技術來操縱細菌，甚至是單個的原子。其中的困難在于，想要操縱原子就需要更強的光鑷，而與此同時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，這也隨之開創了另一個重要的研究領域。

而阿什金的興趣主要集中在如何利用光鑷技術研究生物體的內部結構和運動機制。

阿什金發現，利用綠光光鑷可以形成一個“光井”，困住細菌的移動，但這樣做的同時激光束也會殺死這些細菌，于是他改用能量更低的紅外線光鑷來研究細菌的活動和繁殖情況。他意識到了這項技術的巨大潛力，并且開始以此來研究微生物系統。利用愈發精湛的光鑷技術，阿什金甚至可以直接深入到細胞的內部進行操作而不會破壞細胞膜。根據他的發明，如今在很多生物學實驗室里，光鑷技術已經成為研究分子、DNA甚至細胞內部結構的標準工具。如同科幻成為現實，通過操縱光來操縱微觀領域里極其細小的粒子乃至生物，使光鑷技術在工業和醫療上都有了非常重要的應用，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領域對激光束進行研究。自1960年人類第一次制造出了激光束之后，科學家們就一直試著利用調Q技術（Q-switching）和鎖模技術（Mode-locking），不斷提高激光束的功率。但是這兩項技術卻在幾年之后就遇到了瓶頸。從20世紀60年代中期到80年代中期，這20年的時間里，激光束的功率很難再顯著上升。

當時在美國羅切斯特大學工作的穆魯從雷達技術中受到啟發，他希望利用一種全新的方法進一步增強激光束的功率。1985年，剛剛從加拿大來到美國跟隨穆魯學習、還是一年級博士生的斯特里克蘭開始進行一項全新的研究。為了不至于因為功率太大而損壞功率放大器，這對師徒想到了首先在時間上對激光束進行延展，以降低它的功率峰值，然后利用放大器對激光束進行放大，最后再把激光在時間上進行壓縮，使激光束在極短的時間里達到極高的功率，最終就有可能達到在不損傷功率放大器的基礎上產生出功率極高的激光脈沖。

在穆魯的指導下，斯特里克蘭利用一段1.4公里長的光纖終于制造出了功率極高的激光束脈沖，打破了此前持續了20年之久的困境。而這項技術也早已成為人類制造高能激光束脈沖的標準技術，被稱作“啁啾脈沖放大”（Chirped Pulse Amplification，簡稱CPA），因為它與鳥的鳴叫有相似之處，頻率越來越高。

功率極高、持續時間極短的激光脈沖，在人類的生活中可以有各種各樣的應用。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，在最近30多年時間里，人類不斷創造新的紀錄，制造出功率越來越高的激光脈沖。借助這種奇異的光，人類有機會觀察電子的運動，操縱化學鍵，也可以對材料進行切割、打孔，甚至可能改變材料的性質。高功率激光脈沖被大范圍地應用到微電子技術，甚至是醫療實踐中，例如醫生會在治療近視的手術中利用這種不會給人眼造成創傷的激光束進行校正。

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

（本文寫作參考了諾貝爾獎網站的報道）

誰在競爭諾貝爾獎？

物理學

戴維·奧沙隆

David Awschalom，美國

阿瑟·C.戈薩德

Arthur C. Gossard，美國

主要貢獻：觀測半導體中的自旋霍爾效應。這項對電子在磁場影響下如何表現的研究有望在許多領域得到應用，包括量子計算。

戴維·奧沙隆，生于1956年，美國凝聚態實驗物理學家，國際知名的自旋電子學和量子信息工程領域科學家，美國科學院、美國工程院以及美國藝術與科學院院士。他在伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校獲物理學學士學位，其后在康奈爾大學獲物理學博士學位。他在自旋電子學領域的研究包括應用于高級計算、醫療成像、加密和其他技術領域的電子自旋及其控制。

阿瑟·戈薩德是加州大學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院院士，之前是貝爾實驗室的杰出成員。1982年他共同發現了分數量子霍爾效應，2014年獲得美國國家技術與創新獎章。

自旋電子學是凝聚態物理和微電子的交叉學科。戴維·奧沙隆和阿瑟·戈薩德在2004年首次通過實驗，利用磁光克爾顯微鏡，在半導體材料砷化鎵的邊緣探測到了向上和向下的自旋電流分離的自旋霍爾效應。這一工作極大地推動了自旋電子學發展。此外，自旋電子學和傳統微電子相結合，有望極大地降低芯片能耗，這也是目前計算機發展的最大瓶頸。2018年諾貝爾物理學獎公布前，自旋電子學曾被業界認為是大熱領域。

桑德拉·M.法伯爾

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

作為今年唯一的天文學家，法伯爾是法布爾-杰克遜關系的共同發現者，也是使用哈勃太空望遠鏡搜尋星系中心超大質量黑洞團隊的領導者。

1972年，法伯爾加入加州大學圣克魯茲分校的利克天文臺，成為第一位女性工作人員。1979年，法伯爾與威斯康星大學麥迪遜分校的約翰·加拉格爾共同發表了討論暗物質存在證據的文章。上世紀80年代到本世紀初，法伯爾先后領導了包括“Seven Samurai”和“Nukers”等項目，推進了人們對星系、暗物質和超大質量黑洞之間關系的認識。

法伯爾致力于研究宇宙的結構與星系的形成和演化。她于2012年獲得了天文界最高榮譽之一的布魯斯獎章，2013年獲得美國國家科學獎章，2017年獲得格魯伯宇宙學大獎。

除了科學研究工作以外，她還參與了大科學裝置的建造，她是目前口徑最大的光學天文望遠鏡凱克望遠鏡（Keck telescope）的設計者之一。目前法伯爾正在致力于推動加州大學圣克魯茲分校下屬的地球未來研究所和加州大學系統下屬的起源與深度時間研究中心。在這兩個機構中，來自包括但不限于天文學、地球科學、生物學、計算機科學、經濟學、政治學等各個學科的精英學者們將從100萬年的時間尺度上思考地球和人類的未來。（整理：王雯清）