亞瑟·阿斯金（1922—2020）

亞瑟·阿斯金（Arthur Ashkin）被譽為光學捕獲之父，他可以用聚焦激光束操控原子和細胞等各種大小不等的粒子。2018年，時年96歲的阿斯金憑借“光學鑷子及其在生物系統中的應用”成為當年諾貝爾物理學獎的獲獎者之一。在光的作用力領域，他的發現具有開創性。2020年9月21日，阿斯金溘然長逝，享年98歲。

今天，光學鑷子是生物學研究不可或缺的工具。它們可以測量物質的運動，其精度達到原子直徑的水平，還可以用來測量利用單個載能分子——腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）的化學能所產生的力。

阿斯金出生于紐約布魯克林，他與其兄長尤利烏斯（Julius）自學了物理和微積分，并由大家庭籌資進入哥倫比亞大學求學。大二時，美國卷入第二次世界大戰，阿斯金的導師西德尼·米爾曼（Sidney Millman）說服軍方將其留在哥倫比亞大學，從事雷達技術工作。之后，阿斯金進入康奈爾大學攻讀博士學位，在那里準確測量出了電子-電子和電子-正電子散射的角相關性，從而驗證了全量子電動力學（相對）理論。后來，他在米爾曼的邀請下，加盟貝爾實驗室，并在那里一直工作到1992年退休。

從童年時代起，阿斯金就對光產生的力癡迷不已。20世紀60年代中期，他獲悉來自加拿大多倫多大學的埃里克·羅森（Eric Rawson）闡述了微小的塵埃粒子如何被困于氦氖激光腔內的光束中。阿斯金對此感到好奇，便將激光束聚焦到浸入水中直徑僅為數微米的乳膠球上。水將球體冷卻，從而消除了熱輻射力，但粒子仍然被吸入高強度的光束中。阿斯金的研究表明，粒子就如同一個微小透鏡，可改變光的動量。動量的變化速率會在粒子上產生相等但相反的力，并將其吸引到光強度更高的光束中。

阿斯金還對原子光學力進行了研究。他與約翰·比約克霍爾姆（John Bjorkholm）和理查德·弗里曼（Richard Freeman）一起演示了透鏡的原子版本——“偶極力”。他在1978年提出，將散射和偶極力結合在一起可以捕獲原子。他強調了一個由兩個相反的激光束組成的原子陷阱，也提出了一個聚焦激光束的“概念上最簡單的陷阱”。

1985年，朱棣文的研究團隊與阿斯金和比約克霍爾姆通力合作，通過使用由三個交叉傳播的激光束產生“光學粘團”，光學粘團會使原子的運動速度減慢，并且足以使光學力捕獲它們。該團隊希望能夠證明存在阿斯金提出的大容量陷阱，但經過好幾個月都沒有成功，他們沒有采用單個聚焦光束。

在單個光束中使原子冷卻至絕對零度以上并一直保持這種狀態，類似于在室溫條件下捕獲水中微米大小的聚苯乙烯球。阿斯金意識到這一點之后，很快就證實水中直徑為0.025～10 μm的聚苯乙烯顆粒可被單個光束俘獲。幾個月后，團隊成功捕獲了原子。事實上，光鑷陷阱的所有要素都是由阿斯金于1970年設定的。

1987年，阿斯金發現，他可以對實驗儀器上滋長的細菌進行光學操控。當光線被收起時，細菌會走開；而通過操控激光的焦點，它們又會被重新捕獲。到1990年，一些研究人員已經可以通過將粒子、原子、細胞、細胞器和單個生物分子附著在聚苯乙烯球上，用光學鑷子將其捕獲。

阿斯金的想法非比尋常，既富有創造性又切合實際。他對科學孜孜不倦，滿懷熱忱，90多歲高齡時仍然一如往常，在家中的地下室工作。他樂教善教，指導眾多生物物理學家學會了如何復制光鑷陷阱。他探索光學力的熱情極富感召力，改變了許多人的科學生涯。

資料來源 Nature