2018諾貝爾物理學獎：從科幻照進現(xiàn)實的激光

2018-10-06 09:35:56

今年被授予諾獎的發(fā)明徹底改變了激光物理學，讓極小的物體與極快的過程以全新的方式出現(xiàn)。不止是物理學，化學、生物學與醫(yī)學都因該發(fā)明而獲得了可用于基礎研究和實際應用的精密儀器。

阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）發(fā)明了光學鑷子，能用激光束夾起粒子、原子、分子。它還能夾起病毒、細菌及其他活細胞，并能讓它們在檢查和處理時不被損壞。阿什金的光學鑷子為觀察和控制生命的機器創(chuàng)造了全新的機會。

杰哈·莫羅（Gérard Mourou）與多娜·斯崔克蘭（Donna Strickland）為人類創(chuàng)造的最短、最強的激光脈沖打下了基礎。他們開發(fā)的技術開辟了新的研究領域，并帶來了廣泛的工業(yè)和醫(yī)療應用。例如，每年有無數(shù)次的眼睛手術是由最鋒利的激光束完成的。

為了將粒子保持在光束方向上，阿什金又增加了一個高強度透鏡來聚焦激光。于是，這些粒子被吸向光強度最大的一點。一個光陷阱誕生了。后來人們稱它為光學鑷子。

阿什金造出的光阱

用光捕獲活細菌

在多年努力和屢次失敗后，光陷阱終于可以捕獲單個原子了。這期間曾有過許多困難，其一就是光鑷必須足夠有力才能捕獲原子；其二就是原子的熱振動。所以必須找到一種方法，能夠減慢原子的運動并把它們局限在一個極小的區(qū)域——比句號還要小。到1986年，一切都準備就緒了：光鑷搭配上其他的一些手段，就可以實現(xiàn)停下并俘獲原子的效果。

隨著原子減速發(fā)展成獨立研究領域，阿瑟·阿什金發(fā)現(xiàn)了光鑷的一種全新用途——用于研究生物系統(tǒng)。他的發(fā)現(xiàn)其實算得上是機遇巧合。他曾經(jīng)試著用光鑷捕獲一些更小的粒子，使用的樣品是小的花葉病毒。在他碰巧把樣品敞著放了一整夜之后，樣品上布滿了四處亂跑的大粒子。阿什金用顯微鏡觀察到，這些粒子其實是一些無法自由游動的細菌——當它們靠近激光束的時候，被光阱所捕獲了。不過阿什金的綠色激光能量太強，把細菌都殺死了。因此要想保持細菌的活性，就得用能量弱一些的激光。使用紅外激光的話，細菌就不會受到損傷，并且還可以在光阱里繼續(xù)繁殖。

據(jù)此，阿什金的研究接下來集中在多種不同的細菌、病毒和其他活細胞中。他甚至證明，可以在不破壞細胞膜的情況下碰觸到細胞內(nèi)。阿什金以他的光學鑷子開啟了一整套全新的應用領域。這個技術帶來的一項重要的突破是，能夠研究細胞內(nèi)的分子馬達的機械屬性；分子馬達在細胞里起到了至關重要的作用。第一個利用光鑷詳細描繪的馬達蛋白叫“驅(qū)動蛋白”，研究者發(fā)現(xiàn)它會沿著細胞骨架的一部分——微管——一步一步地移動。

分子馬達在光阱中前進

斯崔克蘭和莫羅的新技術，啁啾（zhōu jiū）脈沖放大技術（CPA），既簡單又優(yōu)雅。取一段短激光脈沖，在時間上拉長，把它放大，再重新壓縮成短脈沖。當脈沖拉長之后，峰值功率就會大幅下降，這樣就可以在不損壞放大器的前提下放大到更高的倍數(shù)。之后把脈沖重新壓縮，于是更多的光就被壓縮到了很小的空間中，脈沖的強度就隨之急劇上升。

啁啾脈沖放大技術（CPA）

世界上最短的脈沖