诺贝尔物理学奖颁给高科技激光，并表彰 55 年来首位女性

光是我们收集世界信息的主要方式，光操纵方面的每一次突破都让研究人员以新的方式看待自然界的新方面。今天，三位科学家共同获得了诺贝尔物理学奖，他们开发了强大的激光技术，让生物学家和物理学家能够揭开隐藏在极小、极快物体背后的面纱。

该奖项旨在表彰两位有影响力的激光工具的发明者：美国物理学家阿瑟·阿什金，他发明了一种利用聚焦光束捕捉和固定物体的方法；法国物理学家杰拉德·穆鲁和加拿大物理学家唐娜·斯特里克兰，他们创造性地解决了将激光束集中和放大到超出标准材料允许的范围的问题。斯特里克兰是加拿大滑铁卢大学的副教授，她是继 1903 年的玛丽·居里和 1963 年的玛丽亚·格佩特-梅耶之后，第三位获得诺贝尔物理学奖的女性。

据 NPR 报道，她说：“显然，我们需要庆祝女性物理学家，因为我们就在那里。我不知道该说什么，我很荣幸成为这些女性中的一员。”

阿什金发明了现实版的《星际迷航》中的牵引光束装置，被低调地称为“光镊”。20 世纪 60 年代和 70 年代在贝尔实验室工作时，他证实了 17 世纪的传统观点，即光束可以推动物质，即使只是一点点。“光的冲击力没有那么大，”纽约大学研究光阱的物理学家戴维·格里尔说。“你不会举起一辆卡车，但你可以想象移动一个原子。”

原子很难看见，所以阿什金从清晰的微观珠子开始。他马上注意到，除了“向下游”移动外，粒子还向光束中间更强烈的区域漂移。下一步是看看他能以多快的速度移动粒子，所以他设置了一个透镜将光束集中到一个点。他想象附近的粒子会被拖入光束中心，然后被放大的下游力射出，“就像一门光学大炮”，格里尔说。

但事实并非如此。相反，粒子飞到中心点并冻结，被困在原地。通过来回移动光束，阿什金也可以移动这些微小的粒子，因此得名光镊。没有人想到波可以把物体拉向上游，以对抗激光的流动，但没过多久就找出了原因。当透明珠子将光线散射到下游时，它们自然会向后反弹，就像独木舟运动员将保龄球扔过船头一样。“它颠覆了一个世纪的直觉，”格里尔说。“它一直都在那里，一目了然，阿特意识到了这一点。”

阿什金很快就从用镊子夹珠子转移到了用活细菌和病毒，这对生物学家来说非常有用，因为你知道，没有太多方法可以夹起这么小的生物。据格里尔说，其他科学家几乎立刻就意识到了这种工具的价值，世界各地的研究人员在几年内就开始使用光学陷阱了。

如今，物理学家们继续扩展该技术的功能。阿什金的镊子每束激光只能移动一个物体，而格里尔的实验室则开创了一种利用计算机生成的图像扩展一束光束，然后将其聚焦以同时捕获数百个粒子的方法。他们目前正在与 NASA 合作，扩大该技术的规模，并捕获彗星经过时可能恰好沉积在地球轨道上的古老冰晶和尘埃颗粒，其中一些可以用肉眼看到。“这实际上有点怪异，”他说，“当你看到一个大到可以看见的东西漂浮在光垫上时。”

奖金的另一半由斯特里克兰和穆鲁分享，穆鲁目前在法国巴黎综合理工学院工作，他们满足了激光实验者长期以来的祈祷：更大的功率。自 1960 年发明第一台激光器以来，物理学家们在大约十年的时间里稳步达到了更高的强度水平，直到他们遇到瓶颈。

激光首先使用一种称为振荡器的设备产生微弱的光脉冲，然后使用放大器将其放大，这令人震惊。但是，在某个点之后，放大的光变得过于强烈，并会像扬声器音量调到 11 一样损坏设备。为了避免这种崩溃，当时在罗彻斯特大学一起工作的穆鲁和斯特里克兰想出了一个聪明的解决方案 - 将光束拉长（他们使用了近一英里长的光纤电缆），将其弱化后放大，然后重新压缩以获得超短、超强的“脉冲”。在解决了这些问题后，他们于 1985 年发表了这项研究，开启了一场追求更好、更快、更强的激光脉冲的竞赛，即使在今天，这种竞赛也没有放缓的迹象。

“这是光学科学领域最大的革命之一，”中佛罗里达大学的光学物理学家常增虎说，他的实验室去年演示了破纪录的短激光脉冲。“这是一项引领发现的发明。”

这些难以想象的短暂而强大的闪光被称为啁啾脉冲放大 (CPA)，它开创了多个实验物理学领域，并打开了昌所说的“极端科学”的大门。激光产生的强烈热量和磁场让研究人员能够在奇异条件下研究物质，产生等离子体，并以接近光速的速度发射电子。从更实际的角度来看，只要强度足够，你就可以煮沸激光击中的任何材料，产生快速蒸发，制造商可以利用这种蒸发来精确切割金属。医生还使用这项技术每年通过矫正眼科手术改善数百万人的视力。

CPA 激光的超高速度也为科学成像开辟了一个全新的快速现象领域。“当你想快速看到某样东西时，你需要使用更快的东西，”Chang 说。他 2017 年创纪录的闪光使用了一种类似火花塞的 CPA 激光，持续时间仅为 53 阿秒。（在一秒钟内，光几乎可以从地球到达月球。在一阿秒内，它只能穿过一两个原子。）如此短暂的脉冲使得捕捉分子和电子的图像和视频成为可能。

诺贝尔物理学奖通常表彰基础物理学方面的进步，但过去对技术的认可包括无线电发射器（1909 年）、晶体管（1956 年）、光学激光器（1964 年）、半导体（2000 年）和 LED（2014 年）的发明者。

2018 年的此项奖项为诺贝尔获奖技术的独家名单又增添了一项，但对于使用 Ashkin、Mourou 和 Strickland 发明的工具并在他们研究引发的光学领域工作的数千名研究人员来说，这一认可早就应该获得了。

“我等这个消息已经很久了，”张说。“我们知道这终有一天会发生。”

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