物理学奖操纵光的艺术

苗千

这三位科学家主要在两个领域进行研究：已经96岁高龄、仍在继续研究工作的阿什金博士利用连续的激光束在微观领域进行操作，而穆鲁与斯特里克兰师徒则研究持续时间短暂，但是功率超强的激光脉冲。这三个人把人類对于激光的操作发展到极致，为人类认识自然和探索自然界全新的领域提供了宝贵的工具。

与人类通常理解的多种颜色、方向混杂的白光不同，激光是一种物质在受到激发状态下发出的，光子的波长、方向乃至偏振都一致的光线。关于激光最早的理论研究，源于爱因斯坦在1917年根据量子理论做出的有关物质辐射的研究。此后科学家们一直对激光进行各种探索，直到1960年5月，美国物理学家西奥多·梅曼（Theodor Maiman）在位于美国马里布的HRL实验室制造出了第一束人造激光。

2018年诺贝尔物理学奖获得者热拉尔·穆鲁

自从有了第一束人造激光，当时还在贝尔实验室工作的阿瑟·阿什金就开始思考应该怎样去利用激光进行各种工作。光具有能量，光线也会对照射的物体产生推力，问题在于这种推力太小，人根本无法感受到，因此想利用激光推动巨大的物体不大可能实现。但阿什金意识到，方向性极强的激光束可能非常适用于像镊子一样移动微小的物体。

阿什金先是试着利用激光束照射微米级别的透明圆球，正如他所设想的一样，小球在激光的推动下移动了。他还发现，在激光的作用下，小球会向着激光束的中心，也就是激光束能量最强的地方移动。其中的原理在于，激光束在中心位置最集中，而它的强度逐渐由内向外减弱，因此当激光束照射小球，光束外围相对较弱的各部分产生的合力把它向激光束的中心推动——在宣布诺贝尔奖的新闻发布会上，一位诺奖委员会的成员在视频里用一个吹风机和一个乒乓球清晰地展示出了这个效应——随后阿什金又利用透镜对激光进行聚焦，小球也随之移动到了激光束最强的位置。

这种利用激光束操纵微小物体的“光镊”（Optical Tweezers）诞生了。1986年，阿什金在《光学快报》（Optical Letters）杂志发表了开创性的论文：《对单光束梯度力光井对于介电粒子作用的观察》（Observation of a Single-Beam Gradient Force Optical Trap For Dielectric Particles）。在克服了一系列困难之后，阿什金实现了利用光镊技术来操纵细菌，甚至是单个的原子。其中的困难在于，想要操纵原子就需要更强的光镊，而与此同时还要小心不能让原子被光镊加热，这就需要事先降低原子的速度，这也随之开创了另一个重要的研究领域。

而阿什金的兴趣主要集中在如何利用光镊技术研究生物体的内部结构和运动机制。

阿什金发现，利用绿光光镊可以形成一个“光井”，困住细菌的移动，但这样做的同时激光束也会杀死这些细菌，于是他改用能量更低的红外线光镊来研究细菌的活动和繁殖情况。他意识到了这项技术的巨大潜力，并且开始以此来研究微生物系统。利用愈发精湛的光镊技术，阿什金甚至可以直接深入到细胞的内部进行操作而不会破坏细胞膜。根据他的发明，如今在很多生物学实验室里，光镊技术已经成为研究分子、DNA甚至细胞内部结构的标准工具。如同科幻成为现实，通过操纵光来操纵微观领域里极其细小的粒子乃至生物，使光镊技术在工业和医疗上都有了非常重要的应用，并且有了更广阔的前景。

穆鲁与斯特里克兰师徒则是在另一个领域对激光束进行研究。自1960年人类第一次制造出了激光束之后，科学家们就一直试着利用调Q技术（Q-switching）和锁模技术（Mode-locking），不断提高激光束的功率。但是这两项技术却在几年之后就遇到了瓶颈。从20世纪60年代中期到80年代中期，这20年的时间里，激光束的功率很难再显著上升。

当时在美国罗切斯特大学工作的穆鲁从雷达技术中受到启发，他希望利用一种全新的方法进一步增强激光束的功率。1985年，刚刚从加拿大来到美国跟随穆鲁学习、还是一年级博士生的斯特里克兰开始进行一项全新的研究。为了不至于因为功率太大而损坏功率放大器，这对师徒想到了首先在时间上对激光束进行延展，以降低它的功率峰值，然后利用放大器对激光束进行放大，最后再把激光在时间上进行压缩，使激光束在极短的时间里达到极高的功率，最终就有可能达到在不损伤功率放大器的基础上产生出功率极高的激光脉冲。

在穆鲁的指导下，斯特里克兰利用一段1.4公里长的光纤终于制造出了功率极高的激光束脉冲，打破了此前持续了20年之久的困境。而这项技术也早已成为人类制造高能激光束脉冲的标准技术，被称作“啁啾脉冲放大”（Chirped Pulse Amplification，简称CPA），因为它与鸟的鸣叫有相似之处，频率越来越高。

功率极高、持续时间极短的激光脉冲，在人类的生活中可以有各种各样的应用。人类可以利用这样的激光脉冲来观察和操纵尺度极小、速度极快的物体以及相互作用的过程。借助着“啁啾脉冲放大”技术，在最近30多年时间里，人类不断创造新的纪录，制造出功率越来越高的激光脉冲。借助这种奇异的光，人类有机会观察电子的运动，操纵化学键，也可以对材料进行切割、打孔，甚至可能改变材料的性质。高功率激光脉冲被大范围地应用到微电子技术，甚至是医疗实践中，例如医生会在治疗近视的手术中利用这种不会给人眼造成创伤的激光束进行校正。

这三位物理学家研究人类最熟悉，也最难把握的光。他们从最基本的物理定律出发，所做出的研究成果却影响了人类生活的方方面面，启发了更多的研究者，如今获得这项学术界的最高荣誉可谓实至名归。

（本文写作参考了诺贝尔奖网站的报道）

谁在竞争诺贝尔奖？

物理学

戴维·奥沙隆

David Awschalom，美国

阿瑟·C.戈萨德

Arthur C. Gossard，美国

主要贡献：观测半导体中的自旋霍尔效应。这项对电子在磁场影响下如何表现的研究有望在许多领域得到应用，包括量子计算。

戴维·奥沙隆，生于1956年，美国凝聚态实验物理学家，国际知名的自旋电子学和量子信息工程领域科学家，美国科学院、美国工程院以及美国艺术与科学院院士。他在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校获物理学学士学位，其后在康奈尔大学获物理学博士学位。他在自旋电子学领域的研究包括应用于高级计算、医疗成像、加密和其他技术领域的电子自旋及其控制。

阿瑟·戈萨德是加州大学圣巴巴拉分校材料与电子工程教授，美国工程院院士和美国科学院院士，之前是贝尔实验室的杰出成员。1982年他共同发现了分数量子霍尔效应，2014年获得美国国家技术与创新奖章。

自旋电子学是凝聚态物理和微电子的交叉学科。戴维·奥沙隆和阿瑟·戈萨德在2004年首次通过实验，利用磁光克尔显微镜，在半导体材料砷化镓的边缘探测到了向上和向下的自旋电流分离的自旋霍尔效应。这一工作极大地推动了自旋电子学发展。此外，自旋电子学和传统微电子相结合，有望极大地降低芯片能耗，这也是目前计算机发展的最大瓶颈。2018年诺贝尔物理学奖公布前，自旋电子学曾被业界认为是大热领域。

桑德拉·M.法伯尔

Sandra M. Faber，美国主要贡献：研究出确定星系的年龄、大小和距离的开创性方法以及对宇宙学的其他贡献，包括对“冷暗物质”的研究，该物质被认为是宇宙“丢失”的物质。

作为今年唯一的天文学家，法伯尔是法布尔-杰克逊关系的共同发现者，也是使用哈勃太空望远镜搜寻星系中心超大质量黑洞团队的领导者。

1972年，法伯尔加入加州大学圣克鲁兹分校的利克天文台，成为第一位女性工作人员。1979年，法伯尔与威斯康星大学麦迪逊分校的约翰·加拉格尔共同发表了讨论暗物质存在证据的文章。上世纪80年代到本世纪初，法伯尔先后领导了包括“Seven Samurai”和“Nukers”等项目，推进了人们对星系、暗物质和超大质量黑洞之间关系的认识。

法伯尔致力于研究宇宙的结构与星系的形成和演化。她于2012年获得了天文界最高荣誉之一的布鲁斯奖章，2013年获得美国国家科学奖章，2017年获得格鲁伯宇宙学大奖。

除了科学研究工作以外，她还参与了大科学装置的建造，她是目前口径最大的光学天文望远镜凯克望远镜（Keck telescope）的設计者之一。目前法伯尔正在致力于推动加州大学圣克鲁兹分校下属的地球未来研究所和加州大学系统下属的起源与深度时间研究中心。在这两个机构中，来自包括但不限于天文学、地球科学、生物学、计算机科学、经济学、政治学等各个学科的精英学者们将从100万年的时间尺度上思考地球和人类的未来。（整理：王雯清）