“光镊”之父逝世：利用光之力操控细胞，曾为最高龄诺奖得主

张博佳

亚瑟·阿什金因成功探索如何利用激光束抓取粒子、原子、分子和活细胞，以进行更深入的研究，他于2018 年获得诺贝尔奖。他称自己的发明为“光镊”。光镊——更确切地说是光学阱，是利用高度聚焦的激光束的压力来操纵从原子到活细胞的微观物体，如病毒和细菌。这一功能在研究和理解生命基本组成部分的科研工作中，具有开创性的实际应用。时至今日，科研人员已经在广泛使用光镊。

阿什金发明光镊的过程，纯属偶然。1966 年，阿什金担任贝尔实验室激光研究部门的负责人。一次，他正在菲尼克斯參加学术讨论会。会中，他听到两位研究人员在讨论一件奇怪的事情，是他们在研究六年前发明的激光时发现的：光束内的尘埃粒子前后倾斜。他们推测，可能是光压力的原因。阿什金进行了计算，最终得出不是光压力——最有可能的是热辐射。但这项研究重新点燃了阿什金童年时对光压力的热情。

光排斥一切，包括人，因为它包含了数以万计被称为光子的微小粒子。大多数时候，光的压力是无关紧要的，比如人对此是没有感觉的。但阿什金认为，如果物体足够小，就可以用激光控制它们。阿什金用一个微小的透明玻璃球做实验，激光的光子可以穿过这个玻璃球，发现确实能够推动它。但意外的是，小球被吸引到光束的中心，并固定在那里。这一现象的原因与一个永恒的物理定律有关：动量守恒。当光子通过小球并被它偏转时，球体的运动方向与偏转光子的运动方向相反。因为在光束的中心有更多光子，所以球体被推向中心。阿什金意识到，使用两束相对的光束，就有可能捕获并移动微小的物体。这一发现具有里程碑意义，相关文章发表在 1970 年的《物理评论快报》上。

16 年后，阿什金和包括朱棣文在内的几位同事，实现了光镊的第一次实际应用，他们通过一束激光穿过透镜来操纵微观物体。朱棣文使用光镊冷却和捕获原子，这是一项突破，他也因此与另两位学者共同分享了 1997 年的诺贝尔物理学奖。诺贝尔委员会在颁奖时没有认可阿什金所做的基础性工作。这让他很恼火，但并未影响他的科研探索，他开始将光镊用于另一种目的：捕捉活的生物体和生物材料。最初，其他科学家并不看好这一设想。直到阿什金能够捕捉到包括单细胞草履虫的亚细胞结构和一种攻击烟草植物的小病毒。这样一来，观察 DNA 的复制过程就成为可能。阿什金获得了 2018 年诺贝尔物理学奖的一半，另一半与法国的杰拉德 · 莫鲁和加拿大的唐娜 · 斯特里克兰分享。96 岁的他成为了当时最高龄的诺奖得主。第二年，约翰 ·B· 古迪纳夫以 97 岁的高龄获得诺贝尔化学奖。

阿什金于 1922 年 9 月 2 日出生在布鲁克林。他的哥哥朱利叶斯也是一名物理学家，在二战期间秘密研制原子弹的曼哈顿计划中发挥了重要作用。从詹姆斯 · 麦迪逊高中毕业后，亚瑟跟随朱利叶斯到哥伦比亚大学求学。他在哥伦比亚辐射实验室研究磁控管，磁控管产生的微波，是激光的前身。1947 年，阿什金博士于哥伦比亚大学毕业，在康奈尔大学学习核物理。1952 年在康奈尔大学获得博士学位后，他加入了贝尔实验室，并在那里工作直到 1992 年退休。1963 年到 1987 年，他引领了实验室的激光科学部门。

除了光镊，阿什金还发现了光折变效应。光折变效应可以暂时改变材料（尤其是晶体）对光的散射或弯曲。这种效果的实际用途包括制作临时全息图。科学家们认为，这将导致更强大的计算机使用光而不是电来存储数据。

阿什金拥有 47 项专利，并于 2013 年入选美国发明家名人堂。阿什金从贝尔实验室退休后并没有停止他的研究。当他收到获诺贝尔奖的消息时，正在自家地下室里进行一个改善太阳能收集的项目。而当被问及是否会庆祝时，他说：“我正在写论文。我不喜欢庆祝旧事物。”

（综合整理报道）（编辑/莱西）