諾貝爾物理學獎中的光

2018年的諾貝爾物理學獎授予了美國、法國和加拿大的3位科學家，以表彰他們在激光物理學領域的突破性貢獻。又一次，光學研究領域中的科學家獲得了諾貝爾獎的青睞。20世紀初，諾貝爾獎剛剛設立，第一個諾貝爾物理學獎就是頒給發現X射線的倫琴。到目前為止，已頒發的諾貝爾物理學獎中，與光學直接或是間接相關的就多達四十幾個，這些物理學獎恰好也按時間順序展示了人類在光學領域研究的成果，展示了人類從認識光到用光打開了新世界大門的光輝歷程。

光學頻率梳

把光制成一把精密的梳子

2005年諾貝爾物理學獎表彰的一個主要成就是光學頻率梳。光學頻率梳又稱光梳，它擁有一系列頻率均勻分布的頻譜，這些頻譜仿佛一把梳子上的齒或一根尺子上的刻度，可以用來測定未知頻譜的具體頻率。它既能精確地測量光學頻率，又能提供長度的標準，因而又被稱為“光尺”。

我們知道，時間是一個基本的計量單位，日常生活中每個人都會不可避免地與其打交道。一開始，人們僅使用水鐘或者沙漏進行簡單的計時，后來由于航海活動的需要，人們才對計時精度的重要性有了初步的認識。 隨著現代科學的興起和發展，時間的精密計量也被賦予更高的科學價值。一方面新的技術被用于高精度的時間計量，另一方面精確的時間計量對基礎科學的發展起著重要的推動作用。在1967年的第13屆國際計量大會上，人們將時間單位“秒”定義為“銫133原子基態的兩個超精細能級之間躍遷所對應輻射的9 192 631 770個周期的持續時間”，這一定義下的時間精度達到了10-15的量級。但科學研究不斷發展，對時間計量的精度又提出了更高的要求。由于時間周期與頻率互為倒數關系，為了進一步提高其精度，人們就想到用頻率更高的光波替代微波。光梳技術的出現，讓時間精度提高到了10-18的量級。

除了提高時間計量的精度，光梳技術還大大提高了GPS、深空導航、基本物理常數測量等的精度，并且已經在為人類探索宇宙而服務了。

光纖通信

讓信息插上光的翅膀

2009年的諾貝爾物理學獎授予了“光纖之父”高錕，以表彰他在光通信方面取得的成就。

現如今，大到國家的信息高速公路計劃，小至街頭巷尾常說的光纖到戶，現代的信息科技已經和光通信難解難分。如果沒有光通信，我們將無法享受到上網看各種視頻節目的樂趣，也享受不到3G、4G，以及即將到來的5G移動通信的各種福利。

其實，根據光的反射及折射現象，在19世紀末，美國發明家貝爾就發明了“光話機”。但是人們發現光線在空氣中傳播了一段距離后強度會變得很弱，因此這一發明便失去了實用價值。在此之后雖然也出現了多種傳播介質，可以讓光線在其中轉彎，但強度迅速衰減的問題并沒有得到解決。1966年，高錕發表了論文《光頻率的介質纖維表面波導》，論證了玻璃介質能夠完成光線傳播的條件，并首次提出用玻璃纖維作為光傳播介質并用于通信的理論。在光通信史上，這是一個具有劃時代意義的理論，它成就了后來發展得如火如荼的光通信技術。

如今的光通信技術已經十分成熟，在實驗室中，單條光纖數據傳輸的最大速度可達到26Tbps，這是傳統網線的26 000倍，光纖通信早已成為各種通信網絡的主要傳輸方式。

時至今日，全球95%的互聯網通信量是由龐大的光纜網絡承擔的，它們如靈活敏捷的長蛇那樣，在海底曲折蜿蜒。以上海為例，上海電信布設的光纜網絡就已超過200萬千米，相當于環繞上海中環線33 000多圈。毫不夸張地說，當你打開任何一個網頁，或是點擊手機中任何一個在線應用時，背后都離不開那一根根比發絲還細的光纖。

目前光通信更多用于交流信息和傳輸數據，而在未來的5G和萬物互聯的物聯網世界里，光通信將在人與物、物與物之間的通信中大展身手。

藍光LED

重新創造了光

2014年的諾貝爾物理學獎授予了3位發明藍光LED的日本科學家。

自從20世紀60年代人們發明LED后，紅光LED、綠光LED都很快相繼問世，但藍光LED卻讓科學家們努力了30余年。

與紅光LED和綠光LED相比，藍光LED的技術難度要大得多。藍光是光的三原色之一，藍光LED的缺失使得人們一直無法合成白光LED，這在長達數十年的時間里讓科學界和工業界倍受困擾。

如今采用藍光LED技術的產品已經進入了全世界的千家萬戶，藍光LED與紅光LED、綠光LED一起，組成了我們現在看到的五顏六色的LED燈。LED照明的能耗要比白熾燈和日光燈少得多，這不但使得人類節約了更多的資源，也可能讓一些使用太陽能小型電站電力的地區實現照明，全球億萬人將告別沒有燈光照明的時代。

LED燈已應用于生活的各個方面，愛迪生的白熾燈曾照亮了20世紀，而21世紀將被LED的光芒照耀。

光學鑷子

用光制造工具

2018年的諾貝爾物理學獎之一，表彰阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）發明了用激光束操縱粒子、原子和分子的光鑷技術，這一技術可利用激光將小粒子固定在光束中心，從而更好地操縱它們。運用光鑷技術，人們可以操縱和移動原子、病毒和其他活細胞。

如何用光來操縱微小粒子呢？我們知道，光，是一種電磁波，但它具有波粒二象性。與飛來的棒球擊中人體后會產生沖擊一樣，光的粒子即光子在接觸物體后，同樣會對該物體施加力的作用。但是光的壓力僅僅在10億分之一到100億分之一牛這個數量級，人體自然無法感受到光壓的存在。但是一些微小的物體，比如紅血球或者微生物卻對光壓非常敏感。

激光的特性之一就是可以把能量匯聚到一個十分微小的光斑上。對于微小物體來說，激光束匯聚形成的強聚焦光斑會形成一個類似“陷阱”的機構，微粒將會被束縛在其中。如果移動聚焦光斑，微粒也會隨之移動，于是人們便能實現對微粒的捕獲和操控，這就是光鑷技術。用光鑷技術，無需接觸物體，就可以對細胞進行精確的操作，而且不會產生機械損傷。因此在生命科學研究中，幾乎所有的單細胞操作都采用光鑷技術進行。

光鑷技術在生物學研究領域已經有了相當廣泛的應用，例如將不同細胞擠壓在一起，或者向細胞中注入微量物質，都是光鑷技術在大顯身手。

2018年的諾貝爾獎的頒獎儀式已經落下帷幕，可司空見慣的光還有多少未知之謎在等著人們去探索和發現呢？