“光鑷”之父逝世：利用光之力操控細胞，曾為最高齡諾獎得主

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、分子和活細胞，以進行更深入的研究，他于2018 年獲得諾貝爾獎。他稱自己的發明為“光鑷”。光鑷——更確切地說是光學阱，是利用高度聚焦的激光束的壓力來操縱從原子到活細胞的微觀物體，如病毒和細菌。這一功能在研究和理解生命基本組成部分的科研工作中，具有開創性的實際應用。時至今日，科研人員已經在廣泛使用光鑷。

阿什金發明光鑷的過程，純屬偶然。1966 年，阿什金擔任貝爾實驗室激光研究部門的負責人。一次，他正在菲尼克斯參加學術討論會。會中，他聽到兩位研究人員在討論一件奇怪的事情，是他們在研究六年前發明的激光時發現的：光束內的塵埃粒子前后傾斜。他們推測，可能是光壓力的原因。阿什金進行了計算，最終得出不是光壓力——最有可能的是熱輻射。但這項研究重新點燃了阿什金童年時對光壓力的熱情。

光排斥一切，包括人，因為它包含了數以萬計被稱為光子的微小粒子。大多數時候，光的壓力是無關緊要的，比如人對此是沒有感覺的。但阿什金認為，如果物體足夠小，就可以用激光控制它們。阿什金用一個微小的透明玻璃球做實驗，激光的光子可以穿過這個玻璃球，發現確實能夠推動它。但意外的是，小球被吸引到光束的中心，并固定在那里。這一現象的原因與一個永恒的物理定律有關：動量守恒。當光子通過小球并被它偏轉時，球體的運動方向與偏轉光子的運動方向相反。因為在光束的中心有更多光子，所以球體被推向中心。阿什金意識到，使用兩束相對的光束，就有可能捕獲并移動微小的物體。這一發現具有里程碑意義，相關文章發表在 1970 年的《物理評論快報》上。

16 年后，阿什金和包括朱棣文在內的幾位同事，實現了光鑷的第一次實際應用，他們通過一束激光穿過透鏡來操縱微觀物體。朱棣文使用光鑷冷卻和捕獲原子，這是一項突破，他也因此與另兩位學者共同分享了 1997 年的諾貝爾物理學獎。諾貝爾委員會在頒獎時沒有認可阿什金所做的基礎性工作。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，其他科學家并不看好這一設想。直到阿什金能夠捕捉到包括單細胞草履蟲的亞細胞結構和一種攻擊煙草植物的小病毒。這樣一來，觀察 DNA 的復制過程就成為可能。阿什金獲得了 2018 年諾貝爾物理學獎的一半，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 歲的他成為了當時最高齡的諾獎得主。第二年，約翰 ·B· 古迪納夫以 97 歲的高齡獲得諾貝爾化學獎。

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家，在二戰期間秘密研制原子彈的曼哈頓計劃中發揮了重要作用。從詹姆斯 · 麥迪遜高中畢業后，亞瑟跟隨朱利葉斯到哥倫比亞大學求學。他在哥倫比亞輻射實驗室研究磁控管，磁控管產生的微波，是激光的前身。1947 年，阿什金博士于哥倫比亞大學畢業，在康奈爾大學學習核物理。1952 年在康奈爾大學獲得博士學位后，他加入了貝爾實驗室，并在那里工作直到 1992 年退休。1963 年到 1987 年，他引領了實驗室的激光科學部門。

除了光鑷，阿什金還發現了光折變效應。光折變效應可以暫時改變材料（尤其是晶體）對光的散射或彎曲。這種效果的實際用途包括制作臨時全息圖。科學家們認為，這將導致更強大的計算機使用光而不是電來存儲數據。

阿什金擁有 47 項專利，并于 2013 年入選美國發明家名人堂。阿什金從貝爾實驗室退休后并沒有停止他的研究。當他收到獲諾貝爾獎的消息時，正在自家地下室里進行一個改善太陽能收集的項目。而當被問及是否會慶祝時，他說：“我正在寫論文。我不喜歡慶祝舊事物。”

（綜合整理報道）（編輯/萊西）