2018年诺贝尔物理学奖解读

2018年10月2日下午，诺奖委员会宣布，今年诺贝尔物理学奖颁发给：

• 美国物理学家阿瑟·阿斯金（Arthur Ashkin）；
• 法国物理学家热拉尔·穆鲁（Gérard Mourou）和加拿大物理学家唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland）；

以表彰他们在激光物理学（Laser Physics）领域的突破性发明。

奖项的一半授予Arthur Ashkin，这位老科学家今年已经96岁了，能在如此高龄得到诺奖是对他一生研究的巨大肯定。他的成就是光学镊子在生物系统中的应用。

Arthur Ashkin

奖项的另一半授予了一对儿师徒，他们的成就是提出了制造高强度、超短波脉冲激光的方法。

Gérard Mourou

Donna Strickland

其中徒弟唐娜·斯特里克兰是女科学家，她是继1903年居里夫人获奖，1963年玛利亚·梅椰（Maria Goeppert-Mayer）获奖后，时隔55年第三位获得诺贝尔物理学奖的女性科学家。

如果用一句通俗的话来形容今年的诺贝尔物理学奖，那就是：

这些科学家研究出了不同方法，把光制成一种精准的工具。

而且这些工具在实际科研和技术上发挥了巨大作用也已经长达20年时间了。所以这次授的奖项并不是奖给刚刚出炉的新成果，而是一个既有突破性，又被实践检验了20多年的突破性发明。

光学镊子

我们先说第一项发明：光学镊子，它是阿瑟获奖的原因。

如果把弹性小球扔向靶子，小球打到靶子之后弹回，同时靶子也会受到力。其实光也有这个特性，光照射到物体之后反射，被照射到的物体也会受到力，这种力叫光压。只不过在日常环境下，普通光线照射到物体之后更多表现在发热上，那种光压产生的力实在微弱到难以测量。

日常环境中，热效应比光压大了上万亿倍，所以我们观察不到。但如果不是普通光线，而是激光的话，光压的效应就会明显很多。

光压是通过激光光束中巨大的光强梯度差表现出来的。什么叫梯度差呢？就是一束激光最窄的部分，在那里有最强的光强度，稍微远离一点儿光束的中心，光强度就会陡然下降，这个就叫光强的（梯度）差。

如果有一些微粒在光束的路径上，就会跟激光产生相互作用，这些微粒受到光照后怎么运动呢？凡是处于光束的边缘的微粒，都会被拉向光束的中心。这个光压能产生大约是几个皮牛到几十皮牛的级别，也就是一千亿分之一牛顿到几十亿分之一牛顿的力。虽然依然也弱得不得了，但已经可以用来移动极微小的颗粒了。

阿瑟从1960年代就在贝尔实验室做这方面的研究，1970年的时候他已经可以做到用单束激光约束一个悬浮在水中的聚苯乙烯颗粒了。几年后技术改进到，他可以同时用两束激光约束指定的微粒沿某个方向运动。1986年的时候，技术更加成熟，阿瑟把激光和显微镜结合在一起，做出了三维立体操控的功能。

这个时候新的问题产生了，那就是因为微粒受到高强度的激光影响，微粒会剧烈地振动，在宏观上就表现为温度剧烈升高，而温度这么一升，微粒结构也会因此改变。这不是阿瑟想要的，他希望被约束住的微粒依然能维持原来的状态，那么就需要在约束微粒的同时，想法降低微粒的振动幅度。

后来这个技术门槛也解决了，解决之后的下一年，1987年，阿瑟就使用自己发明的光学镊子，成功地捕获了单个的活细菌。这种任务对之前的生物学家来说是一项不可能完成的任务，因为任何对单个细菌进行的操作都不可避免地对它们产生伤害，细菌就很可能死掉。但是现在生物学家甚至可以用光学镊子夹起一些细菌，让它们在一束由光形成的“牢笼”里头繁殖，这时候对细菌的分裂和生存状态就可以更细微地观察了。

这种想办法降低微粒振动又约束微粒运动的方法后来不只用于观察单个细菌，也用来捕捉单个的原子，所以跟光学镊子发明高度相关的另一项发明，就是华裔科学家朱棣文因“激光冷却和俘获原子的方法”也曾经获得过1997年的诺贝尔物理学奖。

脉冲激光

奖项的另外一半授予热拉尔和唐娜，因为他们提出了制造高强度、超短波脉冲激光的方法。简单地说就是他们制造出超强的脉冲激光。

激光是20世纪60年代诞生的，诞生之后激光器的功率就不断提升，这个增长持续了20多年后遇到了瓶颈。瓶颈就在于激光晶体承受不住，当时的上限是每平方厘米的功率不能超过1×10的10次方瓦，也就是100亿瓦每平方厘米。

为了提高激光器的功率，那时只有一个办法，就是不断地加大激光晶体的面积。激光晶体都是一些极难制备的昂贵的东西，比如说现在要求一块直径15cm的蓝宝石（Sapphire）晶体，那就得几十万美元的费用，这个价格大部分实验室是承担不起的，但就算如此，也离期望的大功率差得远。

于是提升功率的脚步从60年代起到1985年左右就停下来了。而今年获奖的后两个人，他们是导师和博士生的关系，他们就在1985年突破了功率的限制。这个限制突破后，激光器的功率就可以大幅增加，而且成本还可以维持在可以接受的范围里。他们使用的新技术简称CPA，中文名字叫“啁啾脉冲放大”。

他们大致的思路是，在经过蓝宝石放大的那一步之前，先把激光的频率大幅降低，因为激光的功率和频率是成正比的，所以频率降低功率也就大幅降低。经过蓝宝石后再想办法把频率提升，这样功率也就上来了。

把激光频率降低的设备叫做激光延展器，是用几公里的光纤做的。把频率提升的设备叫做激光压缩器。

在1985年的时候啁啾脉冲放大技术公布出来，提升激光器功率的难题也就解决了，现在工程界可以做出的最大功率的激光器大约是1980年代技术遇到瓶颈那会儿的10万倍，而且预计在几年之后功率还能再提升1000倍。这些已经建成或者将要建成的超大功率的激光器全都是用啁啾脉冲放大技术来实现的。

有人以为这些高功率激光器是大规模杀伤性武器，其实不是，它们很多都用在人们可以接触到的技术领域。

比如眼科改善近视的手术，常说的飞秒激光，它就是利用啁啾脉冲放大技术实现的。飞秒指的是激光的光波的周期，1飞秒是一千万亿分之一秒，用这种超短波激光做手术的好处很大，这种光波照射到材料后对焦点周围的损伤很小，于是像切削角膜这种要求精准度极高的任务，用飞秒激光就能保证切割面平整光滑，这一点决定着手术后患者的视力情况。

以上就是今年诺贝尔物理学奖内容的介绍。

更重大的意义

接下来我来说说今年的奖项有什么用？

总的来说，诺贝尔奖颁发给对人类有巨大贡献的科学研究，所以诺贝尔奖颁奖初衷就带着强烈的现实意义。那些只是纯理论突破的内容是很难获奖的。

今年对激光应用的颁奖除了我之前分别介绍的时候提到的那些工程领域的应用，还有一个更大的意义，那就是让我们有了更好的测量工具。

测量，是一项极其重要的活动，能测到更细微的领域，就能发现新的世界，描述新的世界的理论就有待突破，一旦突破之后，世界观就会更新，随后的几年到几百年的时间里，全体人类的人生观和价值观也会随之改变。

比如光学镊子出现之后，就可以在不接触被测物体的情况下，三维立体地观察极微小的物体。它们可能是没有生命的分子，也可能是构成生命基础的蛋白质和DNA，靠这项技术可以更深入地揭开生命的秘密。

而啁啾脉冲放大技术并不仅仅用于制造高功率的激光，它对一束光，先延展，再压缩的技术后来也发展出一项高速摄影的技术。

在微观世界里，很多事情的发生都是没法记录的。比如电子就会以1/4光速在运动，在某些过程中，到底是A先发生B才随之变化，还是反过来呢，之前的科学家只能根据现有理论猜测，但现在有了一种新技术，可以把含有信息的一串光在时间上延展，我们就有机会看到一千万亿分之一秒发生了什么，一千万亿分之二秒又发生了什么。所以啁啾脉冲技术会大幅拓展人类观察世界的时间尺度。从前看起来连成一片的模糊信号，今后可能就会观察到很清晰的波形了。

以上就是对2018年诺贝尔物理学奖的解读。