激光魔法赢得诺贝尔物理学奖

编译 张长青 夏将瑜

唐娜·斯特里克兰，杰拉德·穆鲁和阿瑟·阿斯金因发明可以捕捉快速过程的高强度激光脉冲和操纵极小粒子分享了2018年度诺贝尔物理学奖。

阿瑟·阿斯金、唐娜·斯特里克兰和杰拉德·穆鲁（左起）分享了2018年度诺贝尔物理学奖

3名激光科学家，因分别发明了高强度激光脉冲，创立了光学俘获过程，最终用于操纵微小物体而荣获2018年诺贝尔物理学奖。获奖者中包括唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland），她是时隔55年后首位获得诺贝尔物理学奖的女性科学家。

加拿大滑铁卢大学的斯特里克兰和她的前导师、现就任于法国巴黎综合理工学院的杰拉德·穆鲁（G é rard Mourou）教授分享了900万瑞典克朗奖金的一半，另一半由新泽西州霍姆德尔贝尔实验室的阿瑟·阿斯金（Arthur Ashkin）赢得。

斯特里克兰和穆鲁开创了一种能够产生最短、最强烈的激光脉冲的方法。这项技术在整个科学领域被用来观察瞬时过程，一窥微观且快速变化中的分子和原子的动态，比如原子中的电子运动状态，同时又可以帮助我们以简单且尽可能不损伤眼球的方式实施激光眼科手术。

阿斯金因其开创性的“光学镊子”的发明而获得了本次诺贝尔物理学奖，这就是一束高度汇聚的激光，它可以捕捉并操纵诸如病毒和细胞等极其微小的粒子。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。

“首先，你必须想着要有疯狂的举动，极富想象力，所以这是我的第一个想法，” 斯特里克兰在10月2日宣布颁奖时说，“你总是想知道它是不是能成为现实。”

开创性的工作

瑞典皇家科学院发布的一份声明称，诺贝尔奖获得者的工作还远没有得到充分的开拓。“然而，即使是现在，这些值得庆贺的发明会不断地激励我们，能够以阿尔弗雷德·诺贝尔先生的典范精神在微观世界中继续努力地探索——这无异于是对人类做出的最好的贡献。”

在诺贝尔物理学奖颁奖历史上，斯特里克兰是获得这一殊荣的第3位女性科学家；玛丽·居里（居里夫人）是历史上第一位获得诺贝尔物理学奖的女性，她在1903年与其丈夫皮埃尔·居里及亨利·贝克勒共同获颁1903年的诺贝尔物理学奖。第2位在1963年获得此殊荣的女科学家是德裔美籍女物理学家玛丽亚·格佩特-梅耶（Maria Goeppert-Mayer）。

当被问及取得这一成就的感想时，斯特里克兰说：“我想可能还会有更多的杰出人物陆续出现。”她补充说：“很明显，我们需要赞美一下女性物理学家，因为我们在这个领域做出了成就，希望这种技术对人类应用是场及时雨，我们还要将其技术以更快的速度向前发展下去。我不知道该说什么，但能成为这些妇女当中的一员，我感到很荣幸。”

恰逢其时

瞬时激光脉冲能让科学家们监测到心跳的过程。但是，在斯特里克兰和穆鲁发明这一革命性的技术之前，这种激光脉冲强度是非常有限的，因为高功率即意味着可能会损毁掉创立它们所需的放大材料。

他们的突破是用一个光栅来拉伸激光束脉冲。这样便降低了光的能量，也即意味着传统的放大器可以得到使用，在脉冲被压缩到一起，形成一个短而有力的爆破之前——这便是被称为的脉冲放大过程。当一个脉冲被压缩而变短时，那就意味着在更小的空间里集中了更多的光，从而极大地增加了脉冲的强度。

这项技术曾在1985年斯特里克兰撰写的博士论文中有所涉及，这是她的第一篇科学论文。而目前得到完善后的这项技术能让科学家在阿托秒（十亿分之一秒的十亿分之一）范围内生成激光脉冲。就像摄像机每秒拍摄更多的帧一样，这些脉冲可以用来研究快速演变过程，比如光合作用的化学性质。此外，由于瞬时脉冲比长脉冲造成的伤害更小，超短的光脉冲不仅在激光眼科手术中得到了应用，同时也还可以在数据存储材料上钻出更锐利的孔洞，以获得更有效的记忆（贮存）。

约翰·达德利（John Dudley）是法国贝桑松弗朗什孔泰大学的光学物理学家。他说，斯特里克兰和穆鲁的啁啾脉冲放大技术是一项突破，这项技术既是一项基础性的科学进步，也是一项技术进步。诺贝尔奖是颁给那些有所发现或有所发明的人。而这项技术恰恰将两者联系在了一起。

达德利补充说，这两名科学家都没有“留在他们的象牙塔里”。他指出，特别是穆鲁，成为“激光基础设施”的推动力量，这是一个欧洲联盟组织，旨在高强度和短时间尺度内对光线进行调查。

他补充说，穆鲁是一位十分博学的名人，他还能创作音乐，对人文学科也有着广泛的兴趣。

达德利说，斯特里克兰作为一名研究生参与了这项研究工作，并得到了认可，这的确非常难能可贵。这与英国的天体物理学家约瑟琳·伯奈尔（Jocelyn Bell Burnell）的案例形成了鲜明对比，后者发现了脉冲星，但当她的指导老师分享1974年的诺贝尔奖时，她却错失了机会。达德利说：“这一次很高兴看到诺贝尔委员会听取了共同体的意见，并做出了与当时相反的决定。”

高强度超微“手指”

96岁的阿斯金是有史以来最年长的诺贝尔奖得主。1960年激光发明后, 他的获奖作品实验便立即开始了。阿斯金意识到，激光能对微小物体施加一种温和的压力，在不破坏这些物体的情况下就能操纵它们。他在20世纪60年代对微型球体进行的实验表明，这些粒子在一束光中被吸引到最高强度的区域后，这就产生了一种通过操纵激光光束来捕捉、悬浮和移动物体的方法。这便是目前被人们所熟知的光学镊子，阿斯金发现的这些高强度聚焦的激光“手指”可以捕捉细菌、病毒，甚至活细胞。

英国格拉斯哥大学光学物理学家迈尔斯·帕吉特（Miles Padgett）这样评价说：“我对他绝对崇拜至极，他是一个很棒的家伙。”

他说，阿斯金的发明已经得到了普遍的认可，影响深远，尤其是在生物物理学领域。今天，光学镊子已经被广泛应用于各行各业的实践当中，从受感染细胞中分离出健康血细胞，到工程纳米材料的应用。

帕吉特称赞阿斯金总是喜欢不断改进技术，让实验装置变得更加简单易操作。“他通过艰苦的钻研后取得了这样的成就，这真是太棒了，而他依然不满足现状，还是在不断地让它的技术变得越来越完善。”

阿斯金曾与华人科学家朱棣文合作，研究激光操纵原子。最后，朱棣文获得了1997年的诺贝尔物理学奖，但阿斯金和其他同事一无所获。“当然，我觉得被诺贝尔奖遗忘了，”阿斯金说，“瑞典学院在他们的新闻稿中写的都是错的。”2009年，时年86岁的阿斯金在接受采访时说。

资料来源 Nature