让光成为奇迹工具——2018年诺贝尔物理学奖简介

　　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（ArthurAshkin）、法国科学家热拉尔·穆鲁（GerardMourou）和加拿大科学家唐娜·斯特里克兰（DonnaStrickland），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：如果光束可以用来干活、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。

　　龙学锋