激光魔法贏得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

編譯 張長(zhǎng)青 夏將瑜

唐娜·斯特里克蘭，杰拉德·穆魯和阿瑟·阿斯金因發(fā)明可以捕捉快速過(guò)程的高強(qiáng)度激光脈沖和操縱極小粒子分享了2018年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

阿瑟·阿斯金、唐娜·斯特里克蘭和杰拉德·穆魯（左起）分享了2018年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

3名激光科學(xué)家，因分別發(fā)明了高強(qiáng)度激光脈沖，創(chuàng)立了光學(xué)俘獲過(guò)程，最終用于操縱微小物體而榮獲2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。獲獎(jiǎng)?wù)咧邪ㄌ颇取に固乩锟颂m（Donna Strickland），她是時(shí)隔55年后首位獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的女性科學(xué)家。

加拿大滑鐵盧大學(xué)的斯特里克蘭和她的前導(dǎo)師、現(xiàn)就任于法國(guó)巴黎綜合理工學(xué)院的杰拉德·穆魯（G é rard Mourou）教授分享了900萬(wàn)瑞典克朗獎(jiǎng)金的一半，另一半由新澤西州霍姆德爾貝爾實(shí)驗(yàn)室的阿瑟·阿斯金（Arthur Ashkin）贏得。

斯特里克蘭和穆魯開創(chuàng)了一種能夠產(chǎn)生最短、最強(qiáng)烈的激光脈沖的方法。這項(xiàng)技術(shù)在整個(gè)科學(xué)領(lǐng)域被用來(lái)觀察瞬時(shí)過(guò)程，一窺微觀且快速變化中的分子和原子的動(dòng)態(tài)，比如原子中的電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)又可以幫助我們以簡(jiǎn)單且盡可能不損傷眼球的方式實(shí)施激光眼科手術(shù)。

阿斯金因其開創(chuàng)性的“光學(xué)鑷子”的發(fā)明而獲得了本次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這就是一束高度匯聚的激光，它可以捕捉并操縱諸如病毒和細(xì)胞等極其微小的粒子。也就是說(shuō)，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。

“首先，你必須想著要有瘋狂的舉動(dòng)，極富想象力，所以這是我的第一個(gè)想法，” 斯特里克蘭在10月2日宣布頒獎(jiǎng)時(shí)說(shuō)，“你總是想知道它是不是能成為現(xiàn)實(shí)?！?/p>

開創(chuàng)性的工作

瑞典皇家科學(xué)院發(fā)布的一份聲明稱，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的工作還遠(yuǎn)沒(méi)有得到充分的開拓?！叭欢?，即使是現(xiàn)在，這些值得慶賀的發(fā)明會(huì)不斷地激勵(lì)我們，能夠以阿爾弗雷德·諾貝爾先生的典范精神在微觀世界中繼續(xù)努力地探索——這無(wú)異于是對(duì)人類做出的最好的貢獻(xiàn)?！?/p>

在諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)歷史上，斯特里克蘭是獲得這一殊榮的第3位女性科學(xué)家；瑪麗·居里（居里夫人）是歷史上第一位獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的女性，她在1903年與其丈夫皮埃爾·居里及亨利·貝克勒共同獲頒1903年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第2位在1963年獲得此殊榮的女科學(xué)家是德裔美籍女物理學(xué)家瑪麗亞·格佩特-梅耶（Maria Goeppert-Mayer）。

當(dāng)被問(wèn)及取得這一成就的感想時(shí)，斯特里克蘭說(shuō)：“我想可能還會(huì)有更多的杰出人物陸續(xù)出現(xiàn)。”她補(bǔ)充說(shuō)：“很明顯，我們需要贊美一下女性物理學(xué)家，因?yàn)槲覀冊(cè)谶@個(gè)領(lǐng)域做出了成就，希望這種技術(shù)對(duì)人類應(yīng)用是場(chǎng)及時(shí)雨，我們還要將其技術(shù)以更快的速度向前發(fā)展下去。我不知道該說(shuō)什么，但能成為這些婦女當(dāng)中的一員，我感到很榮幸。”

恰逢其時(shí)

瞬時(shí)激光脈沖能讓科學(xué)家們監(jiān)測(cè)到心跳的過(guò)程。但是，在斯特里克蘭和穆魯發(fā)明這一革命性的技術(shù)之前，這種激光脈沖強(qiáng)度是非常有限的，因?yàn)楦吖β始匆馕吨赡軙?huì)損毀掉創(chuàng)立它們所需的放大材料。

他們的突破是用一個(gè)光柵來(lái)拉伸激光束脈沖。這樣便降低了光的能量，也即意味著傳統(tǒng)的放大器可以得到使用，在脈沖被壓縮到一起，形成一個(gè)短而有力的爆破之前——這便是被稱為的脈沖放大過(guò)程。當(dāng)一個(gè)脈沖被壓縮而變短時(shí)，那就意味著在更小的空間里集中了更多的光，從而極大地增加了脈沖的強(qiáng)度。

這項(xiàng)技術(shù)曾在1985年斯特里克蘭撰寫的博士論文中有所涉及，這是她的第一篇科學(xué)論文。而目前得到完善后的這項(xiàng)技術(shù)能讓科學(xué)家在阿托秒（十億分之一秒的十億分之一）范圍內(nèi)生成激光脈沖。就像攝像機(jī)每秒拍攝更多的幀一樣，這些脈沖可以用來(lái)研究快速演變過(guò)程，比如光合作用的化學(xué)性質(zhì)。此外，由于瞬時(shí)脈沖比長(zhǎng)脈沖造成的傷害更小，超短的光脈沖不僅在激光眼科手術(shù)中得到了應(yīng)用，同時(shí)也還可以在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)材料上鉆出更銳利的孔洞，以獲得更有效的記憶（貯存）。

約翰·達(dá)德利（John Dudley）是法國(guó)貝桑松弗朗什孔泰大學(xué)的光學(xué)物理學(xué)家。他說(shuō)，斯特里克蘭和穆魯?shù)倪泵}沖放大技術(shù)是一項(xiàng)突破，這項(xiàng)技術(shù)既是一項(xiàng)基礎(chǔ)性的科學(xué)進(jìn)步，也是一項(xiàng)技術(shù)進(jìn)步。諾貝爾獎(jiǎng)是頒給那些有所發(fā)現(xiàn)或有所發(fā)明的人。而這項(xiàng)技術(shù)恰恰將兩者聯(lián)系在了一起。

達(dá)德利補(bǔ)充說(shuō)，這兩名科學(xué)家都沒(méi)有“留在他們的象牙塔里”。他指出，特別是穆魯，成為“激光基礎(chǔ)設(shè)施”的推動(dòng)力量，這是一個(gè)歐洲聯(lián)盟組織，旨在高強(qiáng)度和短時(shí)間尺度內(nèi)對(duì)光線進(jìn)行調(diào)查。

他補(bǔ)充說(shuō)，穆魯是一位十分博學(xué)的名人，他還能創(chuàng)作音樂(lè)，對(duì)人文學(xué)科也有著廣泛的興趣。

達(dá)德利說(shuō)，斯特里克蘭作為一名研究生參與了這項(xiàng)研究工作，并得到了認(rèn)可，這的確非常難能可貴。這與英國(guó)的天體物理學(xué)家約瑟琳·伯奈爾（Jocelyn Bell Burnell）的案例形成了鮮明對(duì)比，后者發(fā)現(xiàn)了脈沖星，但當(dāng)她的指導(dǎo)老師分享1974年的諾貝爾獎(jiǎng)時(shí)，她卻錯(cuò)失了機(jī)會(huì)。達(dá)德利說(shuō)：“這一次很高興看到諾貝爾委員會(huì)聽取了共同體的意見，并做出了與當(dāng)時(shí)相反的決定?！?/p>

高強(qiáng)度超微“手指”

96歲的阿斯金是有史以來(lái)最年長(zhǎng)的諾貝爾獎(jiǎng)得主。1960年激光發(fā)明后, 他的獲獎(jiǎng)作品實(shí)驗(yàn)便立即開始了。阿斯金意識(shí)到，激光能對(duì)微小物體施加一種溫和的壓力，在不破壞這些物體的情況下就能操縱它們。他在20世紀(jì)60年代對(duì)微型球體進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，這些粒子在一束光中被吸引到最高強(qiáng)度的區(qū)域后，這就產(chǎn)生了一種通過(guò)操縱激光光束來(lái)捕捉、懸浮和移動(dòng)物體的方法。這便是目前被人們所熟知的光學(xué)鑷子，阿斯金發(fā)現(xiàn)的這些高強(qiáng)度聚焦的激光“手指”可以捕捉細(xì)菌、病毒，甚至活細(xì)胞。

英國(guó)格拉斯哥大學(xué)光學(xué)物理學(xué)家邁爾斯·帕吉特（Miles Padgett）這樣評(píng)價(jià)說(shuō)：“我對(duì)他絕對(duì)崇拜至極，他是一個(gè)很棒的家伙。”

他說(shuō)，阿斯金的發(fā)明已經(jīng)得到了普遍的認(rèn)可，影響深遠(yuǎn)，尤其是在生物物理學(xué)領(lǐng)域。今天，光學(xué)鑷子已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的實(shí)踐當(dāng)中，從受感染細(xì)胞中分離出健康血細(xì)胞，到工程納米材料的應(yīng)用。

帕吉特稱贊阿斯金總是喜歡不斷改進(jìn)技術(shù)，讓實(shí)驗(yàn)裝置變得更加簡(jiǎn)單易操作?！八ㄟ^(guò)艱苦的鉆研后取得了這樣的成就，這真是太棒了，而他依然不滿足現(xiàn)狀，還是在不斷地讓它的技術(shù)變得越來(lái)越完善。”

阿斯金曾與華人科學(xué)家朱棣文合作，研究激光操縱原子。最后，朱棣文獲得了1997年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但阿斯金和其他同事一無(wú)所獲?！爱?dāng)然，我覺(jué)得被諾貝爾獎(jiǎng)遺忘了，”阿斯金說(shuō)，“瑞典學(xué)院在他們的新聞稿中寫的都是錯(cuò)的?！?009年，時(shí)年86歲的阿斯金在接受采訪時(shí)說(shuō)。

資料來(lái)源 Nature