2018诺贝尔物理学奖--以激光缔造奇迹

　　北京时间10月2日下午5点50分左右，2018年度诺贝尔物理学奖出炉。美国科学家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）、法国科学家杰拉德·莫罗（Gérard Mourou）和加拿大科学家唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland）三人，因在激光物理研究领域的开创性发明获得今年的物理学奖。其中一半奖金授予美国贝尔实验室科学家阿瑟·阿什金，因其在“光学镊子及其在生物系统中的应用”领域所做的工作；另一半奖金由法国巴黎综合理工学院科学家杰拉德·莫罗和加拿大滑铁卢大学科学家唐娜·斯特里克兰共同分享，以表彰他们在“产生高强度、超短光脉冲方法”方面的工作成果。这是间隔55年后，终于迎来118年史上第三次获得诺贝尔物理学奖的女性。前两位分别是1903年获奖的玛丽·居里夫人（Marie Curie）和1963年获奖的玛丽亚·戈佩特·迈耶（Maria Goeppert Mayer）。

　　随着人类的研发和技术应用走入更高阶段，我们往往需要不断地“钻牛角尖”，比如在实验室中观测并分析极其微小的病毒、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，就需要驾驭激光，让激光成为缔造奇迹的工具。激光物理通过新的装置可对非常小的物体进行实验，并实现难以置信的快速进程，先进的精密仪器正在开辟未知的研究领域，并应用于工业和医疗等众多领域。

　　激光的发展史

　　先解释一下激光。原子中电子从高能级跃迁到低能级时，多余的能量转化为光子辐射出来，能量正比于光子的频率。正如爱因斯坦最早提出的，有两种辐射，一种叫做自发辐射，与外加电磁场无关，另一种叫做受激辐射，与外加电磁场有关。通常电子喜欢在低能级活动。作为受激辐射的逆过程，低能级的电子可以吸收光子而跃迁到高能级。如果设法让多数电子处于同一个高能级，导致受激辐射，就产生很多一模一样的光子，聚集在一起，这就是空间相干性。更具有时间相干性，即频率和步调整齐一致，这就是激光。

　　1953年，查尔斯·汤斯（Charls H. Townes）等人造出第一台微波激射器（microwave amplification by stimulated emission of radiation，简称maser）。1958年，亚瑟·肖洛（Arthur L. Schawlow）和汤斯将maser原理推广到红外和可见光，称之为光学maser。1960年，西奥多·梅曼（Theodore Maiman）受肖洛和汤斯的启发，造出第一台光学maser。1964年，汤斯与两位苏联科学家尼古拉·巴索夫（Nikolay Basov）和亚历山大·普罗科洛夫（Alexander Prokhorov）因“基于laser-maser原理造出振荡器和放大器”而获得诺贝尔物理学奖。从这个颁奖词开始，“光学maser”被改称为laser，也就是将maser全称中的微波（microwave）改为光（light）。后来钱学森将laser翻译为激光。激光的基本性质，如相干、平直、单色和高强度等已经直接导致了很多应用，此后激光研究领域获诺贝尔物理学奖的就有六届。

　　光镊的提出与应用

　　尽管许多科学家现在使用激光来操纵和限制生物细胞和其他透明物体，但在39年前只有一个人相信这种现象。他就是阿瑟·阿什金，现年96岁（截至目前年纪最大的诺贝尔奖得主）。阿什金长期在贝尔实验室工作，为贝尔实验室获得第9个诺贝尔奖。

　　阿什金自学生时代起就对光压感兴趣，激光发明之后，阿什金就用激光研究光压。光压（单位面积上的压力）也叫辐射压、光力，也就是光射到物体上带来的力。400年前，开普勒就曾猜测彗星尾巴背向太阳就是因为太阳光的光压（现在我们知道，这只是部分原因，更重要的是太阳风）。他还写信给伽利略，猜想可以用光压驱动帆船。150多年前，麦克斯韦的电磁理论证明了光确实有动量，能施加压力。凡尔纳在科幻小说中畅想了用光压驱动星际旅行。前苏联的齐奥尔科夫斯基和灿德尔也提出太阳帆的想法。2010年，日本发射了第一个利用太阳帆技术的“伊卡洛斯”号飞船。美国探测火星的“海盗”号运行轨迹也考虑了光压效应。

　　对于宏观物体或微粒，可以借用牛顿力学的角度来讨论这一问题。让我们考虑一束光射进一个小球。光被小球折射，改变了动量(方向改变)。但是光与球的总动量守恒，因此小球得到了动量。单位时间里的动量改变就是它受到的力，这就是牛顿第二定律。所以光的动量改变导致小球受到光力。这个力叫做散射力。光的密度越大，与小球的散射越多，散射力也就越大。另一方面，如果光束不均匀，那么光密的地方受力大，光疏的地方受力小，这导致还有一个正比于密度梯度（随位置变化）的梯度力，朝向高密度区域。巧妙地利用散射力和梯度力，就可以实现囚禁。

　　1969年，阿什金用聚集的激光移动了空气和水中的介电小球，演示了梯度力，并用两束相向传播的激光束囚禁了粒子，也提出这个方法可以用于囚禁原子、分子。后来他还利用光力与重力的平衡，将粒子悬浮起来。1977年，为了囚禁和冷却原子，阿什金提出全光单束梯度力囚禁的构想。这就是光学镊子，简称光镊。

　　1985年，阿什金与同事成功地用光镊囚禁了一个介电小球。他们先借助于透镜，将光射进一个介电小球，小球将光折射。为了使得梯度力能够抵消散射力，他们借助于显微镜物镜获得大数值孔径和大角度会聚。

　　1986年，朱棣文等人与阿什金合作，使用了阿什金的方法，并将原子减速冷却下来，成功实现了原子的激光冷却和囚禁。阿什金的工作为朱棣文“用激光冷却和俘获原子的方法”奠定了基础。有趣的是，这项成果为朱棣文赢得了1997年诺贝尔物理学奖，朱棣文在诺贝尔演讲中也介绍了阿什金的前期工作。

　　1986年，阿什金开始将光镊用于研究生物系统。为了减少损伤，激光需要处于红外波段。阿什金用光镊实现了囚禁和操纵微粒、细菌、细胞、病毒、分子和原子，而且可以深入细胞内部而不破坏细胞膜、不损伤生命物质，测量细胞器微观输运的驱动力，提供了在微观细节上研究生命过程的革命性手段。有了这种光镊，我们能够抓取想要的物质，把它们移动到想要放置的地方，并对它们展开操作。这是非常实用的工具。

　　光镊给生命科学提供了一个广泛使用的革命性工具，用来对生物物质进行各种操作，使得生物体内很多微观过程，特别是生物体内的各种小机器的物理过程得到仔细研究。这成为物理学与生物学的一个交叉领域。

　　啁啾脉冲放大技术是什么

　　研究物质中的快速过程，需要短脉冲的激光。为了获得短脉冲的激光，人们用过各种方法（比如所谓的Q开关、锁模、染料激光器）。由于激光脉冲达到了分子中原子运动的时间尺度，所以被用于研究化学反应，1999年的诺贝尔化学奖因此授予艾哈迈德·泽维尔（Ahmed Zewail）。但是，在这些方法中，脉冲的功率峰值并没有增加很多，只能将锁模振荡器出来的纳焦脉冲放大100万倍到毫焦。人们所能得到的激光最高强度受激光元器件的限制：强度过高后，激光器元件会被打坏，无法继续工作。除非增大光束半径以降低强度，而这代价高、重复率低。因此，激光的功率和强度提升缓慢，进入瓶颈。

　　1985年，当时在光学重镇罗切斯特大学的莫罗和他的学生斯特里克兰发明了啁啾脉冲放大（简称CPA）技术，用于超短脉冲激光的放大，从而使得激光的峰值功率得到了突飞猛进的提升。他们的研究成果发表在一个并不是特别出名的杂志上，第一作者是斯特里克兰。尽管杂志不出名，但由于论文的重要意义，很快就引起了激光界的广泛重视，许多实验室开始使用此技术进行超短脉冲激光能量的放大，使得激光的功率和强度迅速增长。在不到十年的时间里，人们所能得到的激光强度提高了6到7个量级。

　　“啁啾”（chirp）本来是指鸟的叫声在不同时刻有不同的频率，后来用来指脉冲信号中频率随时间单调增加或下降。诺贝尔奖官方材料特别指出：“他们从雷达技术得到启发，正如汤斯发明maser时受益于他在雷达方面的经验和光通讯方面的研究。”

　　啁啾脉冲放大的技术要点如下：首先将超短激光脉冲在时间上拉长几个数量级，所以功率峰值相应地下降几个数量级，然后在激光材料中安全地放大，最后在时间上压缩回原来的长度，这样就能获得一个时间非常短、强度非常高的脉冲。

　　这个理论看上去虽然简单，但是莫罗和斯特里克兰经过几年的努力才使设想成为现实。他们最初先将纳焦耳脉冲与单模光纤耦合，拉长到300皮秒，脉冲在光纤中啁啾化，频率随时间而增大，叫做上啁啾；然后将啁啾信号放大；最后，长的啁啾脉冲被双栅压缩器压到2皮秒，能量达到1毫焦。后来研究组又取得了进一步进展，于1986年产生了1太（1012）瓦的激光。再后来，光纤被一对衍射光栅取代，以拉长脉冲。1988年，莫罗研究组实现了从纳焦到焦耳的9个数量级的放大。这导致光脉冲强度的大跃进。

　　后来别的研究组提出基于啁啾脉冲放大的新技术，例如能产生更高强度的所谓光学参数啁啾脉冲放大。基于钕玻璃的激光可以产生1皮秒1焦耳的脉冲，基于掺钛蓝宝石的激光可以得到100飞秒的短脉冲。拍瓦脉冲于1999年在劳伦斯·利福摩尔国家实验室产生（1拍瓦=1000太瓦）。

　　现在全世界至少有几十台运行或建造中的拍瓦激光器。还有更高功率的激光在计划中，例如莫罗推动的欧洲合作的极端光设施（Extreme Light Infrastructure）在捷克的分部将有10拍瓦的激光。这些装置可以用来研究一些极端物态，如辐射主导的物质、高压量子物质、致密物质与超相对论等离子体。这些领域属于高能量密度物理，对于天体物理和惯性约束聚变都很重要。

　　造价较低的桌面太瓦激光可以用于研究强场物理、阿秒科学、激光等离子体加速，等等。基于啁啾脉冲放大的飞秒激光可以用来研究强激光中的物理。在原子物理的强场区，光场强度能将原子电离化而产生动能很大的电子。阿秒激光可以探测原子分子和凝聚态中电子的动力学。高强度的激光还可以产生等离子波，在1厘米距离中将电子加速到10亿电子伏特，这提供了新的加速器原理。

　　啁啾脉冲放大技术还产生适用于工业和医疗的超短激光，能够精准地在不同材料上实现切割和钻孔。比如用超短激光脉冲在媒质（如光盘）中刻录信息。医学上，用激光脉冲制作手术定位板、加强血管及身体中其他通道用的微米金属圆柱体，等等。大概120纳焦的飞秒激光还用于近视和散光的屈光手术。在激光原位角膜磨削术（LASIK）中，为了让准分子激光能到达并改变角膜基质，需要用飞秒激光产生角膜瓣。而在某个一体化飞秒激光方案中，不需要产生角膜瓣，而只需要产生一个4毫米或更小的切口，然后移除光切割的小透镜层，改变角膜形状，修正屈光。

　　啁啾脉冲放大技术的发明与实施，实现了激光强度的突破性进展：这项技术从发明到现在已经33年，依然是非常热门、非常前沿的激光研究工作之一，并持续推进着激光向更高的强度提高。目前最高强度的激光，就是用这个技术生产的。得益于啁啾脉冲放大技术，科研人员有机会一窥微观且快速变化的分子和原子世界中发生了什么。毋庸置疑，它引领了激光技术发展的前沿。

　　次要人物效应

　　斯特里克兰研究啁啾脉冲放大技术的时候还是研究生，在她身上尤为体现了诺贝尔奖得主的“次要人物”效应。

　　她的获奖让我想起，1974年，安东尼·休伊什（Anthony Hewish）因为脉冲星的发现分享了当年的诺贝尔物理学奖，而做出关键贡献的女研究生乔瑟琳·贝尔（Jocelyn Bell）无缘诺奖。这件事在当时就被诟病，受到广泛关注。这也使得诺贝尔奖评选委员会从此小心对待师生合作的情况。按照诺贝尔奖的评定标准，诺贝尔奖是奖给某一项研究成果的。根据这个原则，研究人员只要在诺奖委员会认为值得获得诺奖的某一项研究成果中，做出足够重要的贡献，就可以也应该获诺贝尔奖，而与其他学术贡献与学术水平无关。

　　在斯特里克兰身上体现的“次要人物”效应还表现在，她一生似乎只有这一项拿得出手的研究成果，而且是因一个谁都可能做得出来的偶然实验结果获益终身。这个实验就是啁啾脉冲放大技术。 斯特里克兰的导师是莫罗，莫罗的另一位学生和科研助理是史蒂芬·威廉姆斯。有一天，威廉姆斯好奇地向莫罗提出一个问题：如果光纤和放大器换个顺序会是什么结果？但问完问题后，威廉姆斯就回家了。回家后，威廉姆斯从妻子那里得知，导师莫罗打来电话，说威廉姆斯的问题很好，启发了他。 由于威廉姆斯已经回家，莫罗就让实验室里还在“加班”的女学生去做一下这个实验，这位女学生就是斯特里克兰。结果做出来后，莫罗和斯特里克兰作为指导者和实验者把这一结果发表在《光学通信》（Optics Communication）杂志上。除了这个实验和这篇文章，斯特里克兰再也没有做过其他重要的研究和发现，当然她也因这项研究而当选过美国光学学会主席。

　　斯特里克兰的“次要人物”效应还体现在她和导师发表实验结果的《光学通信》杂志。这个杂志的影响因子实在太低，大约只有1.0，甚至连博士为了毕业发表论文也可能不愿意发表在这样的杂志上。尽管有一系列的“次要人物”效应和现象，斯特里克兰还是获得了诺贝尔物理学奖。这也说明，“次要人物”效应只是一种表面现象，科学界奖励的依然是有突出贡献的研究。

　　（作者单位为美国旧金山州立大学物理系）

　　蔡丽君

关注读览天下微信， 100万篇深度好文， 等你来看……