編譯 張長青 夏將瑜

唐娜·斯特里克蘭，杰拉德·穆魯和阿瑟·阿斯金因發(fā)明可以捕捉快速過程的高強度激光脈沖和操縱極小粒子分享了2018年度諾貝爾物理學(xué)獎。

阿瑟·阿斯金、唐娜·斯特里克蘭和杰拉德·穆魯（左起）分享了2018年度諾貝爾物理學(xué)獎

3名激光科學(xué)家，因分別發(fā)明了高強度激光脈沖，創(chuàng)立了光學(xué)俘獲過程，最終用于操縱微小物體而榮獲2018年諾貝爾物理學(xué)獎。獲獎?wù)咧邪ㄌ颇取に固乩锟颂m（Donna Strickland），她是時隔55年后首位獲得諾貝爾物理學(xué)獎的女性科學(xué)家。

加拿大滑鐵盧大學(xué)的斯特里克蘭和她的前導(dǎo)師、現(xiàn)就任于法國巴黎綜合理工學(xué)院的杰拉德·穆魯（G é rard Mourou）教授分享了900萬瑞典克朗獎金的一半，另一半由新澤西州霍姆德爾貝爾實驗室的阿瑟·阿斯金（Arthur Ashkin）贏得。

斯特里克蘭和穆魯開創(chuàng)了一種能夠產(chǎn)生最短、最強烈的激光脈沖的方法。這項技術(shù)在整個科學(xué)領(lǐng)域被用來觀察瞬時過程，一窺微觀且快速變化中的分子和原子的動態(tài)，比如原子中的電子運動狀態(tài)，同時又可以幫助我們以簡單且盡可能不損傷眼球的方式實施激光眼科手術(shù)。

阿斯金因其開創(chuàng)性的“光學(xué)鑷子”的發(fā)明而獲得了本次諾貝爾物理學(xué)獎，這就是一束高度匯聚的激光，它可以捕捉并操縱諸如病毒和細胞等極其微小的粒子。也就是說，讓激光將小粒子推向光束中心，并將它們固定在那里，從而更好地操縱它們。

“首先，你必須想著要有瘋狂的舉動，極富想象力，所以這是我的第一個想法，” 斯特里克蘭在10月2日宣布頒獎時說，“你總是想知道它是不是能成為現(xiàn)實?！?/p>

開創(chuàng)性的工作

瑞典皇家科學(xué)院發(fā)布的一份聲明稱，諾貝爾獎獲得者的工作還遠沒有得到充分的開拓。“然而，即使是現(xiàn)在，這些值得慶賀的發(fā)明會不斷地激勵我們，能夠以阿爾弗雷德·諾貝爾先生的典范精神在微觀世界中繼續(xù)努力地探索——這無異于是對人類做出的最好的貢獻?！?/p>

在諾貝爾物理學(xué)獎頒獎歷史上，斯特里克蘭是獲得這一殊榮的第3位女性科學(xué)家；瑪麗·居里（居里夫人）是歷史上第一位獲得諾貝爾物理學(xué)獎的女性，她在1903年與其丈夫皮埃爾·居里及亨利·貝克勒共同獲頒1903年的諾貝爾物理學(xué)獎。第2位在1963年獲得此殊榮的女科學(xué)家是德裔美籍女物理學(xué)家瑪麗亞·格佩特-梅耶（Maria Goeppert-Mayer）。

當被問及取得這一成就的感想時，斯特里克蘭說：“我想可能還會有更多的杰出人物陸續(xù)出現(xiàn)。”她補充說：“很明顯，我們需要贊美一下女性物理學(xué)家，因為我們在這個領(lǐng)域做出了成就，希望這種技術(shù)對人類應(yīng)用是場及時雨，我們還要將其技術(shù)以更快的速度向前發(fā)展下去。我不知道該說什么，但能成為這些婦女當中的一員，我感到很榮幸。”

恰逢其時

瞬時激光脈沖能讓科學(xué)家們監(jiān)測到心跳的過程。但是，在斯特里克蘭和穆魯發(fā)明這一革命性的技術(shù)之前，這種激光脈沖強度是非常有限的，因為高功率即意味著可能會損毀掉創(chuàng)立它們所需的放大材料。

他們的突破是用一個光柵來拉伸激光束脈沖。這樣便降低了光的能量，也即意味著傳統(tǒng)的放大器可以得到使用，在脈沖被壓縮到一起，形成一個短而有力的爆破之前——這便是被稱為的脈沖放大過程。當一個脈沖被壓縮而變短時，那就意味著在更小的空間里集中了更多的光，從而極大地增加了脈沖的強度。

這項技術(shù)曾在1985年斯特里克蘭撰寫的博士論文中有所涉及，這是她的第一篇科學(xué)論文。而目前得到完善后的這項技術(shù)能讓科學(xué)家在阿托秒（十億分之一秒的十億分之一）范圍內(nèi)生成激光脈沖。就像攝像機每秒拍攝更多的幀一樣，這些脈沖可以用來研究快速演變過程，比如光合作用的化學(xué)性質(zhì)。此外，由于瞬時脈沖比長脈沖造成的傷害更小，超短的光脈沖不僅在激光眼科手術(shù)中得到了應(yīng)用，同時也還可以在數(shù)據(jù)存儲材料上鉆出更銳利的孔洞，以獲得更有效的記憶（貯存）。

約翰·達德利（John Dudley）是法國貝桑松弗朗什孔泰大學(xué)的光學(xué)物理學(xué)家。他說，斯特里克蘭和穆魯?shù)倪泵}沖放大技術(shù)是一項突破，這項技術(shù)既是一項基礎(chǔ)性的科學(xué)進步，也是一項技術(shù)進步。諾貝爾獎是頒給那些有所發(fā)現(xiàn)或有所發(fā)明的人。而這項技術(shù)恰恰將兩者聯(lián)系在了一起。

達德利補充說，這兩名科學(xué)家都沒有“留在他們的象牙塔里”。他指出，特別是穆魯，成為“激光基礎(chǔ)設(shè)施”的推動力量，這是一個歐洲聯(lián)盟組織，旨在高強度和短時間尺度內(nèi)對光線進行調(diào)查。

他補充說，穆魯是一位十分博學(xué)的名人，他還能創(chuàng)作音樂，對人文學(xué)科也有著廣泛的興趣。

達德利說，斯特里克蘭作為一名研究生參與了這項研究工作，并得到了認可，這的確非常難能可貴。這與英國的天體物理學(xué)家約瑟琳·伯奈爾（Jocelyn Bell Burnell）的案例形成了鮮明對比，后者發(fā)現(xiàn)了脈沖星，但當她的指導(dǎo)老師分享1974年的諾貝爾獎時，她卻錯失了機會。達德利說：“這一次很高興看到諾貝爾委員會聽取了共同體的意見，并做出了與當時相反的決定。”

高強度超微“手指”

96歲的阿斯金是有史以來最年長的諾貝爾獎得主。1960年激光發(fā)明后, 他的獲獎作品實驗便立即開始了。阿斯金意識到，激光能對微小物體施加一種溫和的壓力，在不破壞這些物體的情況下就能操縱它們。他在20世紀60年代對微型球體進行的實驗表明，這些粒子在一束光中被吸引到最高強度的區(qū)域后，這就產(chǎn)生了一種通過操縱激光光束來捕捉、懸浮和移動物體的方法。這便是目前被人們所熟知的光學(xué)鑷子，阿斯金發(fā)現(xiàn)的這些高強度聚焦的激光“手指”可以捕捉細菌、病毒，甚至活細胞。

英國格拉斯哥大學(xué)光學(xué)物理學(xué)家邁爾斯·帕吉特（Miles Padgett）這樣評價說：“我對他絕對崇拜至極，他是一個很棒的家伙?！?/p>

他說，阿斯金的發(fā)明已經(jīng)得到了普遍的認可，影響深遠，尤其是在生物物理學(xué)領(lǐng)域。今天，光學(xué)鑷子已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的實踐當中，從受感染細胞中分離出健康血細胞，到工程納米材料的應(yīng)用。

帕吉特稱贊阿斯金總是喜歡不斷改進技術(shù)，讓實驗裝置變得更加簡單易操作。“他通過艱苦的鉆研后取得了這樣的成就，這真是太棒了，而他依然不滿足現(xiàn)狀，還是在不斷地讓它的技術(shù)變得越來越完善。”

阿斯金曾與華人科學(xué)家朱棣文合作，研究激光操縱原子。最后，朱棣文獲得了1997年的諾貝爾物理學(xué)獎，但阿斯金和其他同事一無所獲?！爱斎?，我覺得被諾貝爾獎遺忘了，”阿斯金說，“瑞典學(xué)院在他們的新聞稿中寫的都是錯的。”2009年，時年86歲的阿斯金在接受采訪時說。

資料來源 Nature