2018諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
——以激光締造奇跡

□ 蔡麗君

他們的新技術(shù)為科研和一些產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了全新視角，在物理、化學(xué)以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，科研人員有機(jī)會(huì)一窺分子和原子世界中發(fā)生了什么

北京時(shí)間10月2日下午5點(diǎn)50分左右，2018年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)出爐。美國科學(xué)家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）、法國科學(xué)家杰拉德·莫羅（Gérard Mourou）和加拿大科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland）三人，因在激光物理研究領(lǐng)域的開創(chuàng)性發(fā)明獲得今年的物理學(xué)獎(jiǎng)。其中一半獎(jiǎng)金授予美國貝爾實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家阿瑟·阿什金，因其在“光學(xué)鑷子及其在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用”領(lǐng)域所做的工作；另一半獎(jiǎng)金由法國巴黎綜合理工學(xué)院科學(xué)家杰拉德·莫羅和加拿大滑鐵盧大學(xué)科學(xué)家唐娜·斯特里克蘭共同分享，以表彰他們在“產(chǎn)生高強(qiáng)度、超短光脈沖方法”方面的工作成果。這是間隔55年后，終于迎來118年史上第三次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的女性。前兩位分別是1903年獲獎(jiǎng)的瑪麗·居里夫人（Marie Curie）和1963年獲獎(jiǎng)的瑪麗亞·戈佩特·邁耶（Maria Goeppert Mayer）。

隨著人類的研發(fā)和技術(shù)應(yīng)用走入更高階段，我們往往需要不斷地“鉆牛角尖”，比如在實(shí)驗(yàn)室中觀測并分析極其微小的病毒、分毫不差地在眼球上進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)等。要實(shí)現(xiàn)這些難度極高的操作，就需要駕馭激光，讓激光成為締造奇跡的工具。激光物理通過新的裝置可對非常小的物體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)難以置信的快速進(jìn)程，先進(jìn)的精密儀器正在開辟未知的研究領(lǐng)域，并應(yīng)用于工業(yè)和醫(yī)療等眾多領(lǐng)域。

激光的發(fā)展史

先解釋一下激光。原子中電子從高能級躍遷到低能級時(shí)，多余的能量轉(zhuǎn)化為光子輻射出來，能量正比于光子的頻率。正如愛因斯坦最早提出的，有兩種輻射，一種叫做自發(fā)輻射，與外加電磁場無關(guān)，另一種叫做受激輻射，與外加電磁場有關(guān)。通常電子喜歡在低能級活動(dòng)。作為受激輻射的逆過程，低能級的電子可以吸收光子而躍遷到高能級。如果設(shè)法讓多數(shù)電子處于同一個(gè)高能級，導(dǎo)致受激輻射，就產(chǎn)生很多一模一樣的光子，聚集在一起，這就是空間相干性。更具有時(shí)間相干性，即頻率和步調(diào)整齊一致，這就是激光。

1953年，查爾斯·湯斯（Charls H. Townes）等人造出第一臺微波激射器（microwave amplification by stimulated emission of radiation，簡稱maser）。1958年，亞瑟·肖洛（Arthur L. Schawlow）和湯斯將maser原理推廣到紅外和可見光，稱之為光學(xué) maser。1960年， 西 奧 多· 梅曼（Theodore Maiman）受肖洛和湯斯的啟發(fā)，造出第一臺光學(xué)maser。1964年，湯斯與兩位蘇聯(lián)科學(xué)家尼古拉·巴索夫（Nikolay Basov）和亞歷山大·普羅科洛夫（Alexander Prokhorov） 因“ 基 于laser-maser原理造出振蕩器和放大器”而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。從這個(gè)頒獎(jiǎng)詞開始，“光學(xué)maser”被改稱為laser，也就是將maser全稱中的微波（microwave）改為光（light）。后來錢學(xué)森將laser翻譯為激光。激光的基本性質(zhì)，如相干、平直、單色和高強(qiáng)度等已經(jīng)直接導(dǎo)致了很多應(yīng)用，此后激光研究領(lǐng)域獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的就有六屆。

光鑷的提出與應(yīng)用

盡管許多科學(xué)家現(xiàn)在使用激光來操縱和限制生物細(xì)胞和其他透明物體，但在39年前只有一個(gè)人相信這種現(xiàn)象。他就是阿瑟·阿什金，現(xiàn)年96歲（截至目前年紀(jì)最大的諾貝爾獎(jiǎng)得主）。阿什金長期在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作，為貝爾實(shí)驗(yàn)室獲得第9個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)。

阿什金自學(xué)生時(shí)代起就對光壓感興趣,激光發(fā)明之后，阿什金就用激光研究光壓。光壓（單位面積上的壓力）也叫輻射壓、光力，也就是光射到物體上帶來的力。400年前，開普勒就曾猜測彗星尾巴背向太陽就是因?yàn)樘柟獾墓鈮海ìF(xiàn)在我們知道，這只是部分原因，更重要的是太陽風(fēng)）。他還寫信給伽利略，猜想可以用光壓驅(qū)動(dòng)帆船。150多年前，麥克斯韋的電磁理論證明了光確實(shí)有動(dòng)量，能施加壓力。凡爾納在科幻小說中暢想了用光壓驅(qū)動(dòng)星際旅行。前蘇聯(lián)的齊奧爾科夫斯基和燦德爾也提出太陽帆的想法。2010年，日本發(fā)射了第一個(gè)利用太陽帆技術(shù)的“伊卡洛斯”號飛船。美國探測火星的“海盜”號運(yùn)行軌跡也考慮了光壓效應(yīng)。

對于宏觀物體或微粒，可以借用牛頓力學(xué)的角度來討論這一問題。讓我們考慮一束光射進(jìn)一個(gè)小球。光被小球折射，改變了動(dòng)量（方向改變）。但是光與球的總動(dòng)量守恒，因此小球得到了動(dòng)量。單位時(shí)間里的動(dòng)量改變就是它受到的力，這就是牛頓第二定律。所以光的動(dòng)量改變導(dǎo)致小球受到光力。這個(gè)力叫做散射力。光的密度越大，與小球的散射越多，散射力也就越大。另一方面，如果光束不均勻，那么光密的地方受力大，光疏的地方受力小，這導(dǎo)致還有一個(gè)正比于密度梯度（隨位置變化）的梯度力，朝向高密度區(qū)域。巧妙地利用散射力和梯度力，就可以實(shí)現(xiàn)囚禁。

1969年，阿什金用聚集的激光移動(dòng)了空氣和水中的介電小球，演示了梯度力，并用兩束相向傳播的激光束囚禁了粒子，也提出這個(gè)方法可以用于囚禁原子、分子。后來他還利用光力與重力的平衡，將粒子懸浮起來。1977年，為了囚禁和冷卻原子，阿什金提出全光單束梯度力囚禁的構(gòu)想。這就是光學(xué)鑷子，簡稱光鑷。

1985年，阿什金與同事成功地用光鑷囚禁了一個(gè)介電小球。他們先借助于透鏡，將光射進(jìn)一個(gè)介電小球，小球?qū)⒐庹凵洹榱耸沟锰荻攘δ軌虻窒⑸淞?，他們借助于顯微鏡物鏡獲得大數(shù)值孔徑和大角度會(huì)聚。

1986年，朱棣文等人與阿什金合作，使用了阿什金的方法，并將原子減速冷卻下來，成功實(shí)現(xiàn)了原子的激光冷卻和囚禁。阿什金的工作為朱棣文“用激光冷卻和俘獲原子的方法”奠定了基礎(chǔ)。有趣的是，這項(xiàng)成果為朱棣文贏得了1997年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，朱棣文在諾貝爾演講中也介紹了阿什金的前期工作。

1986年，阿什金開始將光鑷用于研究生物系統(tǒng)。為了減少損傷，激光需要處于紅外波段。阿什金用光鑷實(shí)現(xiàn)了囚禁和操縱微粒、細(xì)菌、細(xì)胞、病毒、分子和原子，而且可以深入細(xì)胞內(nèi)部而不破壞細(xì)胞膜、不損傷生命物質(zhì)，測量細(xì)胞器微觀輸運(yùn)的驅(qū)動(dòng)力，提供了在微觀細(xì)節(jié)上研究生命過程的革命性手段。有了這種光鑷，我們能夠抓取想要的物質(zhì)，把它們移動(dòng)到想要放置的地方，并對它們展開操作。這是非常實(shí)用的工具。

光鑷給生命科學(xué)提供了一個(gè)廣泛使用的革命性工具，用來對生物物質(zhì)進(jìn)行各種操作，使得生物體內(nèi)很多微觀過程，特別是生物體內(nèi)的各種小機(jī)器的物理過程得到仔細(xì)研究。這成為物理學(xué)與生物學(xué)的一個(gè)交叉領(lǐng)域。

啁啾脈沖放大技術(shù)是什么

研究物質(zhì)中的快速過程，需要短脈沖的激光。為了獲得短脈沖的激光，人們用過各種方法（比如所謂的Q開關(guān)、鎖模、染料激光器）。由于激光脈沖達(dá)到了分子中原子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間尺度，所以被用于研究化學(xué)反應(yīng)，1999年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)因此授予艾哈邁德·澤維爾（Ahmed Zewail）。但是，在這些方法中，脈沖的功率峰值并沒有增加很多，只能將鎖模振蕩器出來的納焦脈沖放大100萬倍到毫焦。人們所能得到的激光最高強(qiáng)度受激光元器件的限制：強(qiáng)度過高后，激光器元件會(huì)被打壞，無法繼續(xù)工作。除非增大光束半徑以降低強(qiáng)度，而這代價(jià)高、重復(fù)率低。因此，激光的功率和強(qiáng)度提升緩慢，進(jìn)入瓶頸。

1985年，當(dāng)時(shí)在光學(xué)重鎮(zhèn)羅切斯特大學(xué)的莫羅和他的學(xué)生斯特里克蘭發(fā)明了啁啾脈沖放大（簡稱CPA）技術(shù)，用于超短脈沖激光的放大，從而使得激光的峰值功率得到了突飛猛進(jìn)的提升。他們的研究成果發(fā)表在一個(gè)并不是特別出名的雜志上，第一作者是斯特里克蘭。盡管雜志不出名，但由于論文的重要意義，很快就引起了激光界的廣泛重視，許多實(shí)驗(yàn)室開始使用此技術(shù)進(jìn)行超短脈沖激光能量的放大，使得激光的功率和強(qiáng)度迅速增長。在不到十年的時(shí)間里，人們所能得到的激光強(qiáng)度提高了6到7個(gè)量級。

“啁啾”（chirp）本來是指鳥的叫聲在不同時(shí)刻有不同的頻率，后來用來指脈沖信號中頻率隨時(shí)間單調(diào)增加或下降。諾貝爾獎(jiǎng)官方材料特別指出：“他們從雷達(dá)技術(shù)得到啟發(fā)，正如湯斯發(fā)明maser時(shí)受益于他在雷達(dá)方面的經(jīng)驗(yàn)和光通訊方面的研究?！?/p>

啁啾脈沖放大的技術(shù)要點(diǎn)如下：首先將超短激光脈沖在時(shí)間上拉長幾個(gè)數(shù)量級，所以功率峰值相應(yīng)地下降幾個(gè)數(shù)量級，然后在激光材料中安全地放大，最后在時(shí)間上壓縮回原來的長度，這樣就能獲得一個(gè)時(shí)間非常短、強(qiáng)度非常高的脈沖。

這個(gè)理論看上去雖然簡單，但是莫羅和斯特里克蘭經(jīng)過幾年的努力才使設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)。他們最初先將納焦耳脈沖與單模光纖耦合，拉長到300皮秒，脈沖在光纖中啁啾化，頻率隨時(shí)間而增大，叫做上啁啾；然后將啁啾信號放大；最后，長的啁啾脈沖被雙柵壓縮器壓到2皮秒，能量達(dá)到1毫焦。后來研究組又取得了進(jìn)一步進(jìn)展，于1986年產(chǎn)生了1太（1012）瓦的激光。再后來，光纖被一對衍射光柵取代，以拉長脈沖。1988年，莫羅研究組實(shí)現(xiàn)了從納焦到焦耳的9個(gè)數(shù)量級的放大。這導(dǎo)致光脈沖強(qiáng)度的大躍進(jìn)。

后來別的研究組提出基于啁啾脈沖放大的新技術(shù)，例如能產(chǎn)生更高強(qiáng)度的所謂光學(xué)參數(shù)啁啾脈沖放大。基于釹玻璃的激光可以產(chǎn)生1皮秒1焦耳的脈沖，基于摻鈦藍(lán)寶石的激光可以得到100飛秒的短脈沖。拍瓦脈沖于1999年在勞倫斯·利福摩爾國家實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生（1拍瓦=1000太瓦）。

現(xiàn)在全世界至少有幾十臺運(yùn)行或建造中的拍瓦激光器。還有更高功率的激光在計(jì)劃中，例如莫羅推動(dòng)的歐洲合作的極端光設(shè)施（Extreme Light Infrastructure） 在 捷克的分部將有10拍瓦的激光。這些裝置可以用來研究一些極端物態(tài)，如輻射主導(dǎo)的物質(zhì)、高壓量子物質(zhì)、致密物質(zhì)與超相對論等離子體。這些領(lǐng)域?qū)儆诟吣芰棵芏任锢?，對于天體物理和慣性約束聚變都很重要。

造價(jià)較低的桌面太瓦激光可以用于研究強(qiáng)場物理、阿秒科學(xué)、激光等離子體加速，等等?；谶泵}沖放大的飛秒激光可以用來研究強(qiáng)激光中的物理。在原子物理的強(qiáng)場區(qū)，光場強(qiáng)度能將原子電離化而產(chǎn)生動(dòng)能很大的電子。阿秒激光可以探測原子分子和凝聚態(tài)中電子的動(dòng)力學(xué)。高強(qiáng)度的激光還可以產(chǎn)生等離子波，在1厘米距離中將電子加速到10億電子伏特，這提供了新的加速器原理。

啁啾脈沖放大技術(shù)的發(fā)明與實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了激光強(qiáng)度的突破性進(jìn)展。

啁啾脈沖放大技術(shù)還產(chǎn)生適用于工業(yè)和醫(yī)療的超短激光，能夠精準(zhǔn)地在不同材料上實(shí)現(xiàn)切割和鉆孔。比如用超短激光脈沖在媒質(zhì)（如光盤）中刻錄信息。醫(yī)學(xué)上，用激光脈沖制作手術(shù)定位板、加強(qiáng)血管及身體中其他通道用的微米金屬圓柱體，等等。大概120納焦的飛秒激光還用于近視和散光的屈光手術(shù)。在激光原位角膜磨削術(shù)（LASIK）中，為了讓準(zhǔn)分子激光能到達(dá)并改變角膜基質(zhì)，需要用飛秒激光產(chǎn)生角膜瓣。而在某個(gè)一體化飛秒激光方案中，不需要產(chǎn)生角膜瓣，而只需要產(chǎn)生一個(gè)4毫米或更小的切口，然后移除光切割的小透鏡層，改變角膜形狀，修正屈光。

啁啾脈沖放大技術(shù)的發(fā)明與實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了激光強(qiáng)度的突破性進(jìn)展：這項(xiàng)技術(shù)從發(fā)明到現(xiàn)在已經(jīng)33年，依然是非常熱門、非常前沿的激光研究工作之一，并持續(xù)推進(jìn)著激光向更高的強(qiáng)度提高。目前最高強(qiáng)度的激光，就是用這個(gè)技術(shù)生產(chǎn)的。得益于啁啾脈沖放大技術(shù)，科研人員有機(jī)會(huì)一窺微觀且快速變化的分子和原子世界中發(fā)生了什么。毋庸置疑，它引領(lǐng)了激光技術(shù)發(fā)展的前沿。

次要人物效應(yīng)

斯特里克蘭研究啁啾脈沖放大技術(shù)的時(shí)候還是研究生，在她身上尤為體現(xiàn)了諾貝爾獎(jiǎng)得主的“次要人物”效應(yīng)。

她的獲獎(jiǎng)讓我想起，1974年，安東尼·休伊什（Anthony Hewish）因?yàn)槊}沖星的發(fā)現(xiàn)分享了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，而做出關(guān)鍵貢獻(xiàn)的女研究生喬瑟琳·貝爾（Jocelyn Bell）無緣諾獎(jiǎng)。這件事在當(dāng)時(shí)就被詬病，受到廣泛關(guān)注。這也使得諾貝爾獎(jiǎng)評選委員會(huì)從此小心對待師生合作的情況。按照諾貝爾獎(jiǎng)的評定標(biāo)準(zhǔn)，諾貝爾獎(jiǎng)是獎(jiǎng)給某一項(xiàng)研究成果的。根據(jù)這個(gè)原則，研究人員只要在諾獎(jiǎng)委員會(huì)認(rèn)為值得獲得諾獎(jiǎng)的某一項(xiàng)研究成果中，做出足夠重要的貢獻(xiàn)，就可以也應(yīng)該獲諾貝爾獎(jiǎng)，而與其他學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)與學(xué)術(shù)水平無關(guān)。

在斯特里克蘭身上體現(xiàn)的“次要人物”效應(yīng)還表現(xiàn)在，她一生似乎只有這一項(xiàng)拿得出手的研究成果，而且是因一個(gè)誰都可能做得出來的偶然實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲益終身。這個(gè)實(shí)驗(yàn)就是啁啾脈沖放大技術(shù)。 斯特里克蘭的導(dǎo)師是莫羅，莫羅的另一位學(xué)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羅提出一個(gè)問題：如果光纖和放大器換個(gè)順序會(huì)是什么結(jié)果？但問完問題后，威廉姆斯就回家了?；丶液?，威廉姆斯從妻子那里得知，導(dǎo)師莫羅打來電話，說威廉姆斯的問題很好，啟發(fā)了他。 由于威廉姆斯已經(jīng)回家，莫羅就讓實(shí)驗(yàn)室里還在“加班”的女學(xué)生去做一下這個(gè)實(shí)驗(yàn)，這位女學(xué)生就是斯特里克蘭。結(jié)果做出來后，莫羅和斯特里克蘭作為指導(dǎo)者和實(shí)驗(yàn)者把這一結(jié)果發(fā)表在《光學(xué)通信》（Optics Communication）雜志上。除了這個(gè)實(shí)驗(yàn)和這篇文章，斯特里克蘭再也沒有做過其他重要的研究和發(fā)現(xiàn)，當(dāng)然她也因這項(xiàng)研究而當(dāng)選過美國光學(xué)學(xué)會(huì)主席。

斯特里克蘭的“次要人物”效應(yīng)還體現(xiàn)在她和導(dǎo)師發(fā)表實(shí)驗(yàn)結(jié)果的《光學(xué)通信》雜志。這個(gè)雜志的影響因子實(shí)在太低，大約只有1.0，甚至連博士為了畢業(yè)發(fā)表論文也可能不愿意發(fā)表在這樣的雜志上。盡管有一系列的“次要人物”效應(yīng)和現(xiàn)象，斯特里克蘭還是獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這也說明，“次要人物”效應(yīng)只是一種表面現(xiàn)象，科學(xué)界獎(jiǎng)勵(lì)的依然是有突出貢獻(xiàn)的研究。