諾貝爾獎
2018年10月2日下午，諾獎委員會宣佈，今年諾貝爾物理學獎頒發給：
美國物理學家阿瑟 阿什金（Arthur Ashkin）；
法國物理學家熱拉爾 穆魯（Gerard Mourou）和加拿大物理學家唐娜 斯特里克蘭（Donna S trickland）。
以表彰他們在激光物理學（Laser Physics）領域的突破性發明。
獎項的一半授予 Arthur Ashkin ，這位老科學家今年已經96歲了，能在如此高齡得到諾貝爾獎是對他研究的巨大肯定。他的成就就是光學鑷子在生物系統中的應用。
Arthur Ashkin
獎項的另一半授予了一對兒師徒，他們的成就是提出了製造高強度、超短波脈衝激光的方法。
Gerard Mourou
Donna S trickland
其中徒弟唐娜 斯特里克蘭是女科學家，她是繼1903年居里夫人獲獎，1963年瑪利亞 梅椰（Maria Goepert-Mayer）獲獎後，時隔55年第三位獲得諾貝爾物理學獎的女性科學家。
如果用一句通俗易懂的話來形容今年的諾貝爾物理學獎。那就是：
這些科學家研究出了不同方法，把光製成一種精準的工具。
而且這些工具在實際科研和技術上發揮了巨大作用，也已經長達20年時間了。
所以，這次授予的獎項並不是獎給剛剛出爐的新成果，而是一個既有突破性，又被實踐驗證了20多年的發明。
光學鑷子
我們先說第一項發明：光學鑷子，它是阿瑟獲獎的原因。
如果把彈性小球扔向靶子，小球打到靶子之後彈回，同時靶子也會受到力。
其實光也有這個特性，光照射到物體之後反射，被照射到的物體也會受到力，這種力叫光壓。
只不過在日常環境下，普通光線照射到物體之後更多表現在發熱上，那種光壓產生的力實在微弱到難以測量。日常環境中，熱效應比光壓大了上萬億倍，所以我們觀察不到。
但如果不是普通光線，而是激光的話，光壓的效應就會明顯很多。
光壓是通過激光光束中巨大的光強梯度差表現出來的。
什麼叫梯度差呢？
就是一束激光最窄的部分，在那裡有最強的光強度，稍微遠離一點兒光束的中心，光強度就會陡然下降，這個就叫光強的（梯度）差。
如果有一些微粒在光束的路徑上，就會跟激光產生相互作用。
這些微粒受到光照後怎麼運用呢？
凡是處於光束的邊緣的微粒，都會被拉向光束的中心。
這個光壓能產生大約是幾個皮牛到幾十皮牛的級別的力，也就是一千億分之一牛頓到幾十億分之一牛頓的力。雖然依然也弱得不得了，但已經可以用來移動極微小的顆粒了。
阿瑟從1960年代就在貝爾實驗室做這方面的研究，1970年的時候他已經可以做到用單束激光約束一個懸浮在水中的聚苯乙烯顆粒了。幾年後技術改進到，他可以同時用兩束激光約束指定的微粒沿某個方向運動。
1986年的時候，技術更加成熟，阿瑟把激光和顯微鏡結合在一起，做出了三維立體操控的功能。
這個時候新的問題產生了，那就是因為微粒受到高強度的激光影響，微粒會劇烈的振動，在宏觀上就表現為溫度劇烈升高，而溫度這麼一升，微粒結構也會因此改變。
這是阿瑟不想要的，他希望被約束住的微粒依然能維持原來的狀態，那麼就需要在約束微粒的同時，想法降低微粒的振動幅度。
後來這個技術門檻也解決了，解決之後的下一年，1987年，阿瑟就使用自己發明的光學鑷子，成功捕獲了單個的活細菌。
這種任務對之前的生物學家來說是一項不可能完成的任務，因為任何對單個細菌進行的操作都不可避免地對它們產生傷害，細菌就很可能死掉。
但是，現在生物學家甚至可以用光學鑷子夾起一些細菌，讓它們在一束由光形成的“牢籠”裡頭繁殖，這時候對細菌的分裂和生存狀態就可以更細微地觀察了。
這種想辦法降低微粒振動又約束微粒運動的方法後來不只用於觀察單個細菌，也用來捕捉單個的原子，所以，跟光學鑷子發明高度相關的另一項發明，就是華裔科學家朱棣文因“激光冷卻和俘獲原子的方法”也曾經獲得過1997年的諾貝爾物理學獎。
脈衝激光
獎項的另外一半授予熱拉爾和唐娜，因為他們提出了製造高強度、超短波脈衝激光的方法。
簡單地說，就是他們製造出超強的脈衝激光。
激光是20世紀60年代誕生的，誕生之後激光器的功率就不斷提升，這個增長持續了20多年後遇到了瓶頸。
瓶頸就在於激光晶體承受不住，當時的上限是每平方釐米的功率不能超過1*10的10次方瓦，也就是100億每平方釐米。
為了繼續提高激光器的功率，那時只有一個辦法，就是不斷地加大激光晶體的面積。
激光晶體都是一些極難製備的昂貴的東西，比如說現在要求一塊直徑15釐米的藍寶石晶體，那就得幾十萬美元的費用，這個價格大部分實驗室是承擔不起的。
但就算如此，也離期望的更大功率差得遠。於是提升功率腳步從60年代起到1985年左右就停下來了。
而今年獲獎的後兩個人，他們是導師和博士生的關係，他們就在1985年突破了功率的限制。這個限制突破後，激光器的功率就可以大幅增加，而且成本還可以維持在可以接受的範圍裡。
他們使用的新技術簡稱CPA，中文名字叫“啁啾脈衝放大”。
有人以為這些高功率激光器是大規模殺傷性武器，其實不是，它們很多都用在人們可以接觸到的技術領域。
比如眼科改善近視的手術，常說的飛秒激光，它就是利用啁啾脈衝放大技術實現的。
更重大的意義
今年的獎項有什麼用呢？
總的來說，諾貝爾物理學獎頒發給對人類有巨大貢獻的科學研究，所以諾貝爾頒獎初衷就帶著強烈的現實意義。那些只是純理論突破的內容是很難獲獎的。
今年對激光應用說的頒獎，除了其在工程領域有重大作用，還有一個更大的意義，那就是讓我們有了更好的測量工具。
測量，是一項極其重要的活動，能測到更為細微地領域，就能發現新的世界。
描述新的世界的理論就有待突破，一旦突破之後，世界觀就會更新，隨後的幾年到幾百年的時間裡，全體人類的人生觀和價值觀也會隨之改變。
比如，光學鑷子出現之後，就可以在不接觸被測物體的情況下，三維立體地觀察極微小的物體。它們可能是沒有生命的分子，也可能是構成生命基礎的蛋白質和DNA，靠這項技術可以更深入得揭開生命的秘密。
而啁啾脈衝放大技術，並不僅僅用於製造高功率的激光，它對一束光，先延展，再壓縮的技術後來也發展出一項高速攝影的技術。
所以，啁啾脈衝放大技術會大幅度拓展人類觀察世界的時間尺度。從前看起來連成一片的模糊信號，今後可能就會觀察到很清晰的波形了。
如果對今年的諾貝爾物理學獎還有其他更精彩的的觀點，歡迎留言告訴我。
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