▲美國、法國和加拿大的三位科學家獲得2018年諾貝爾物理學獎。（瑞典皇家科學院/圖）
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文 | 南方周末特約撰稿 鞠強
責任編輯 | 朱力遠
北京時間10月2日下午，瑞典皇家科學院宣布，2018年諾貝爾物理學獎授予美國物理學家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）、法國物理學家傑哈·莫羅（Gérard Mourou）和加拿大物理學家唐娜·斯崔克蘭（Donna Strickland），以表彰他們「在雷射物理領域內的開創性發明」。
其中，阿什金憑藉「發明光學鑷子並在生物系統中應用這一發明」獲得了900萬瑞典克朗（約合696萬人民幣）獎金的一半，而莫羅和唐娜因為「發明產生高強度超短光學脈衝的方法」共同分享了另外一半獎金。諾貝爾自然科學獎的慣例是獎勵不超過三位科學家，但三人可以來自一個大的領域內的兩個不同分支。
阿什金出生於1922年，現年已經96歲高齡，是到目前為止諾貝爾獎歷史上年齡最大的獲獎者。此前年齡最大的獲獎者是2002年獲得諾貝爾經濟學獎的俄裔美籍經濟學家裡奧尼德·赫維茨，獲獎時為90歲。
1952年，阿什金在康奈爾大學獲得核物理博士學位後，加入貝爾實驗室，並一直在貝爾實驗室和美國朗訊科技公司工作到1991年退休。他是美國光學會會士、美國物理學會會士、美國電氣和電子工程師協會會士，並於1984年和1996年先後當選美國工程院院士和美國科學院院士。在整個研究生涯中，他共獲得了47項專利。而給阿什金帶來巨大聲譽並使他獲得諾貝爾獎的成就，就是他發明的光學鑷子。
20世紀60年代，雷射器剛剛發明不久，阿什金就在實驗中發現可以使用雷射使粒子移動，同時粒子還會固定在光束的中間位置，這種現象是由光的梯度力造成的。發現這種現象後，阿什金更進一步，他使用透鏡來聚焦雷射，這樣粒子就會被固定在光強最大的一點。這樣的作用效果類似於一個陷阱困住了粒子，因此被稱作光阱。
經過長期的研究，阿什金終於在1986年發明了光學鑷子。這項技術就像鑷子一樣，可以使用雷射使原子停下並捕獲原子。隨後，他把這項技術應用到生物系統中，這也是他這次獲獎的理由之一。他使用光學鑷子捕獲了不同種類的細菌、病毒和其他細胞，而在這個操作中不會對活體細菌或者細胞造成傷害，從而可以對它們的生命機制進行研究。
阿什金髮明光學鑷子後，其他研究人員不斷拓展這一技術的應用範圍，並促進了新技術的誕生。光學鑷子的一項重要應用就是對細胞內起重要作用的分子馬達的研究。研究人員使用光學鑷子第一次掃描出稱作驅動蛋白的馬達蛋白，並且還發現驅動蛋白沿著細胞骨架運動的現象。光學全息成像也是光學鑷子的重要應用之一，這項技術允許數千個光學鑷子同時工作。科學家使用這項技術可以從感染細胞中分離出健康的血細胞，從而幫助對抗瘧疾的研究。
▲阿瑟·阿什金。（美國物理學會/圖）
在貝爾實驗室工作期間，阿什金和著名美籍華裔物理學家朱棣文一起進行過光阱研究，這些工作為後來朱棣文冷卻和捕獲原子的研究奠定了基礎。朱棣文在1997年獲得諾貝爾物理學獎時，就有學者為阿什金感到惋惜，認為他作為這一領域的先驅應該一同獲獎，他本人也對自己沒有獲獎感到不解。這次諾貝爾獎委員會授予他物理學家，可以說是彌補了這個遺憾。
在比阿什金髮明光學鑷子略早的時候，本年度另外兩位物理學獎獲得者莫羅和斯崔克蘭也在雷射科學取得了重要突破，就此改變了雷射科學的面貌。
▲傑哈·莫羅。（巴黎綜合理工學院/圖）
莫羅出生於1944年，是美國密西根大學榮休教授和巴黎綜合理工學院教授。1973年，他在巴黎第六大學獲得博士學位後加入巴黎綜合理工學院和法國國立高等先進技術學院（ENSTA）應用光學實驗室。1977年，他前往密西根大學任教，1990年在密西根大學創立了超快光學科學中心並擔任創始主任。2005年至2009年，他還擔任了ENSTA應用光學實驗室主任。獲得諾貝爾物理學獎前，作為國際著名的應用物理學家，莫羅已經先後獲得過2012年的法國榮譽軍團勳章、2016年的弗雷德裡克·艾夫斯獎章以及今年的阿瑟·肖洛雷射科學獎等多項榮譽。
▲唐娜·斯崔克蘭。（滑鐵盧大學/圖）
斯崔克蘭出生於1959年，先後在加拿大麥克馬斯特大學和美國羅切斯特大學獲得學士和博士學位，目前是加拿大滑鐵盧大學副教授。1989年，斯崔克蘭正是在莫羅的指導下獲得了博士學位。
斯崔克蘭攻讀博士學位時，雷射器已經發明了20多年，但此時物理學家期望獲得更強雷射脈衝的願望卻遇到了困境：如果繼續增加短脈衝的光強，放大材料就會被燒毀。莫羅和斯崔克蘭共同著手解決這個困境。1985年，二人發明了啁啾脈衝放大技術（CPA）。啁啾原指鳥的不同叫聲，這裡指的是不同的頻率，可以形象說明這個技術的原理。
他們發明的技術是將一段短脈衝在時域上展寬，然後放大，再進行壓縮。這樣當脈衝展寬時，功率極值會變得很低，因此放大到更高的倍數也不會燒毀放大器；然後再在時域上壓縮脈衝，這樣就可以極大地增強脈衝的強度。運用這項技術，脈衝可以短到飛秒（10-15秒）量級，功率可以達到太瓦（1012瓦特）量級。此後，脈衝變得更短，強度更高，但都離不開莫羅和斯崔克蘭開創的這條道路。
啁啾脈衝放大技術誕生後，對雷射科學產生了革命性影響，在核物理、粒子物理等物理學分支中獲得了廣泛的應用。物理學家用這個技術製造出超高速相機，利用飛秒量級的脈衝對原子和分子進行拍照，可以更好地洞察微觀世界的秘密。同時，這項技術還推動了醫學的進步。超短超強雷射脈衝可以精確地對包括生物物質在內的各種材料進行切割，白內障屈光手術的進步就得益於這項技術；這種脈衝還能用於製造手術支架，這類微米尺度的支架可以用來擴張和加固人體內血管、尿道和其他通路。
新的雷射技術使我們在未來能夠獲得更快的電子產品、更高效的太陽能電池、更好的催化劑和更強大的加速器。物理學家展望未來的時候，也正期待雷射技術能夠達到更高的功率，比如1021瓦特，或者實現更短的脈衝，比如達到10-21秒的量級。在這個過程中，也許啁啾脈衝放大技術還能大顯身手，也許這個技術會碰到瓶頸，物理學家不得不轉而尋找新的技術，但不管怎樣，物理學家在追求超短超強脈衝極致的路上都不會停步。
值得一提的是，斯崔克蘭是55年來首位獲得諾貝爾物理學獎的女性科學家。在此之前，只有2位女性物理學家獲得過諾貝爾物理學獎，分別是1903年的居裡夫人和1963年的瑪麗亞·梅耶。
我們可以看到，光學鑷子和啁啾脈衝放大技術誕生30多年來，不僅極大地推動了相關領域的發展，而且為人類生活帶來了福祉。諾貝爾物理學獎授予三位讓雷射大顯身手的科學家，真正踐行了諾貝爾的遺囑：獎勵為人類做出傑出貢獻的人。
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