撰文 | 施鬱（復旦大學物理學系）

知識分子為更好的智趣生活 ID：The-Intellectual

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2018年諾貝爾物理學獎獎勵激光物理領域的突破性發明。阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）因為“光鑷及其在生物系統的應用”獲得其中一半，另一半授予傑拉德·莫雷（Gérard Mourou）和唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland），以表彰他們“生成高強度超短光脈衝的方法” [1,2,3]。本文對此項諾貝爾獎的科學背景、內容和意義作較詳細的解讀，並闡述一點個人理解和評論，包括這次諾貝爾獎未強調的阿什金的光囚禁思想對於超冷原子物理的意義。

1 激光

先解釋一下激光。原子中電子從高能級躍遷到低能級時，多餘的能量轉化為光子輻射出來，能量正比於光子的頻率。正如愛因斯坦最早提出的，有兩種輻射，一種叫做自發輻射，與外加電磁場無關，另一種叫做受激輻射，與外加電磁場有關。通常電子喜歡在低能級。作為受激輻射的逆過程，低能級的電子可以吸收光子而躍遷到高能級。如果設法讓多數電子處於同一個高能級（叫做粒子數反轉，在激光器的增益介質中實現），導致受激輻射，就產生很多一模一樣的光子，聚集在一起，這叫做空間相干性，更具有時間相干性，即頻率和步調整齊一致。這就是激光。

1953年，湯斯（Charls H. Townes）等人造出第一臺微波激射器（microwave amplification by stimulated emission of radiation，簡稱maser）。1958年，肖羅（Arthur L. Schawlow）和湯斯將maser原理推廣到紅外和可見光，稱之為光學maser。1960年，Theodore Maiman造出第一臺光學maser，他受了肖羅和湯斯文章的啟發，但是也超越了後者 [4]。1964年，湯斯與兩位蘇聯科學家Nikolay Basov和Alexander Prokhorov因“基於laser-maser原理造出振盪器和放大器”而獲得諾貝爾物理學獎 [5]。從這個頒獎詞開始，“光學maser”被改稱為laser，也就是將maser全稱中的微波（microwave）改為光（light）。後來錢學森將laser翻譯為激光。激光的基本性質，如相干、平直、單色和高強度等等已經直接導致了很多應用，激光光譜的研究也獲得過諾貝爾獎。

2 從光壓到光鑷

1997年，因為“用激光冷卻和囚禁原子的方法”，朱棣文、Claude Cohen-Tannoudji 和 William D. Phillips獲得諾貝爾物理學獎。朱棣文在諾貝爾演講中回憶了他在貝爾實驗室的重要經歷 [6]：

我進入激光冷卻和囚禁領域開始於我從新澤西默裡山搬到霍姆德爾領導量子電子學研究室。我在與霍姆德爾的辦公室隔壁的阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）的交談中，開始瞭解他用光囚禁原子的夢想。他發現我聽得越來越認真，開始給我讀他的文章。

阿什金自學生時代起就對光壓感興趣 [7],激光發明之後，阿什金就用激光研究光壓。光壓也叫輻射壓（單位面積上的壓力），或者說光力，也就是光射到物體上帶來的力。400年前，開普勒就曾猜測彗星尾巴背向太陽是因為太陽光的光壓（現在我們知道，這只是部分原因，更重要的是太陽風），他還寫信給伽利略猜想可以用光壓驅動星際帆船。一百五十多年前，麥克斯韋的電磁理論證明了光確實有動量、能施加壓力。凡爾納在科幻小說中暢想了用光壓驅動星際旅行。前蘇聯的齊奧爾科夫斯基和燦德爾也提出太陽帆航天器的想法。2010年，日本發射了第一個利用太陽帆技術的“伊卡洛斯”號飛船。美國的探測火星的“海盜”號的軌跡也考慮了光壓效應。霍金參與啟動的所謂“突破攝星”計劃希望用激光光壓驅動很多小飛船。

對於宏觀物體或微粒，正如阿什金所喜歡的，我們可以借用牛頓力學來討論問題。下面筆者簡單介紹一下基本思想。讓我們考慮一束光射進一個小球。光被小球折射，改變了動量(方向變了)。但是光與球的總動量守恆，因此小球得到了動量。單位時間裡的動量改變就是它受到的力，這就是牛頓第二定律。所以光的動量改變導致小球受到光力。這個力叫做散射力。光的密度越大，與小球的散射越多，散射力也就越大。另一方面，如果光束不均勻，那麼光密的地方受力大，光疏的地方受力小，這導致還有一個正比於密度梯度（隨位置的變化）的梯度力，朝向高密度區域。巧妙地利用散射力和梯度力，就可以實現囚禁。

1969年，阿什金用聚集的激光移動了空氣和水中的介電小球，演示了梯度力，並用兩束相向傳播的激光束囚禁了粒子，也提出這個方法可以用於囚禁原子分子 [8]。介電材料不導電，但是外電場使得每個原子的正電荷與負電荷分開，因此與正負電荷穩定地耦合。後來他還利用光力與重力的平衡，將粒子懸浮起來。1977年，為了囚禁和冷卻原子，阿什金提出全光單束梯度力囚禁的構想 [9]。這就是光鑷。1985年，阿什金與同事成功地用光鑷囚禁了一個介電小球 [10]。阿什金與同事先借助於透鏡，將光射進一個介電小球，小球將光折射。為了使得梯度力能夠抵消散射力，他們藉助於顯微鏡物鏡獲得大數值孔徑和大角度會聚。

1986年，朱棣文等人與阿什金合作，將原子減速冷卻下來，並應用和發展了阿什金的光鑷囚禁方法，成功實現了原子的激光冷卻和囚禁 [11]。1997年，朱棣文在諾貝爾演講中介紹了阿什金的前期工作，有趣的是，最後也介紹了阿什金以及他本人將激光囚禁用於生物學的工作。

3 光鑷帶來生命科學的革命

1986年，阿什金開始將光鑷用於研究生物系統。為了減少損傷，激光需要處於紅外波段。阿什金用光鑷實現了囚禁和操縱病毒、細菌、活細胞 [12,13]，深入細胞內部而不破壞細胞膜 [14]，測量細胞器微觀輸運的驅動力 [15]。

光鑷給生命科學提供了一個廣泛使用的革命性工具，用來對生物物質進行各種操作，使得生物體內很多微觀過程，特別是生物體內的各種小機器的物理過程得到仔細研究。這成為物理學與生物學的一個交叉領域。下面略舉幾例。

1） 單個生物大分子，比如DNA和RNA的力學和非平衡統計力學。2） 驅動細菌遊動的鞭毛，鞭毛包含螺旋狀的細絲，與一個轉動分子馬達相連。3） 線性運動的馬達分子，它們廣泛存在於細胞內的輸運、肌肉收縮以及細胞分裂中，將化學能轉化為運動，比如細胞內部在微管上傳輸物質的驅動蛋白、在肌動蛋白絲上滑動的肌球蛋白（導致肌肉收縮）。利用光鑷，研究人員可以精準測量分子馬達的軌跡、步長（通常為幾個納米，1納=10^-9）、停頓時間、力（約為1到100皮牛頓，1皮=10^-12）等等。4） 生命活動的微觀過程，例如在DNA到信使RNA的轉錄過程中，馬達RNA聚合酶沿著DNA每個鹼基對的移動；在信使RNA的轉錄信息基礎上，核糖體對單個信使RNA的編碼子的轉譯；蛋白質降解中，蛋白酶打開基底蛋白質的力學過程。

4 光囚禁在超冷原子物理中的特殊意義

筆者這裡討論一下阿什金早期的光囚禁工作對於超冷原子物理的特殊意義。這是諾貝爾獎未強調的。

原子的冷卻與囚禁導致了超冷原子物理的發展。1995年，Carl Wieman和Eric Cornell的研究組以及Wolfgang Ketterle的研究組實現了玻色愛因斯坦凝聚，可能對於1997年的諾貝爾獎授予朱棣文、Cohen-Tannoudji 和Phillips起了推動作用，而他們自己獲得了2001年的諾貝爾獎。

早期的超冷原子研究大多使用磁阱或者磁光阱。在這裡，原子的自旋（磁矩）與外磁場耦合，所以自旋被凍結，不能體現與自旋相關的物理。後來，光阱或者說光囚禁被用來研究超冷原子，導致很多豐富的物理。比如，利用光阱實現了體現自旋重要性的旋量玻色氣。利用光阱還可以方便地用Feshbach共振來調控原子之間的相互作用，由此實現諸如費米子超流、玻色-愛因斯坦凝聚與BCS超流的渡越等量子多體物理現象。而作為光阱的發展，光晶格中的原子可以成為強關聯多體系統，也可以應用於量子模擬和量子信息處理。

追根溯源，光阱來源於阿什金最初的光囚禁的思想。正如阿什金本人說過的，光囚禁的思想不是顯然的。所以阿什金的光囚禁的思想對於超冷原子物理有特殊的貢獻。

我們為阿什金能夠健康長壽，終於在96歲時得到姍姍來遲、實至名歸的諾貝爾獎而欣慰。阿什金的研究歷程記錄在他的著作中 [7]。阿什金教授接受記者採訪時，用這本書的封面對光鑷作了解釋 [16]。

阿什金長期在貝爾實驗室工作，為貝爾實驗室獲得第9個諾貝爾獎。貝爾實驗室人才雲集，科研人員自主創新，取得了極大的成功。

►作者收藏的阿什金著作

►阿什金接受記者採訪

5 高強度超短激光脈衝

研究物質中的快速過程，需要短脈衝的激光。為了獲得短脈衝的激光，人們用過各種方法（比如所謂的Q開關、鎖模、染料激光器）。由於激光脈衝達到了分子中原子運動的時間尺度，所以被用於研究化學反應，1999年的諾貝爾化學獎因此授予Ahmed Zewail。但是，在這些方法中，脈衝的功率峰值並沒有增加很多，只能將鎖模振盪器出來的納焦耳脈衝放大1百萬倍到毫焦耳。再放大容易導致損壞放大器，除非增大光束半徑以降低強度，而這代價高、重複率低。

1985年，當時在光學重鎮羅切斯特大學的莫雷和他的學生斯特里克蘭發明了啁啾脈衝放大（CPA）技術 [17]。諾貝爾獎官方材料特別指出 [3]：“他們從雷達技術得到啟發，正如湯斯發明maser時受益於他在雷達方面的經驗和光通訊方面的研究。”莫雷現任法國巴黎綜合理工學院教授，斯特里克蘭現任加拿大滑鐵盧大學副教授。

►2013年，斯特里克蘭作為光學會（OSA）主席給朱棣文頒發某個獎章。 （來源：OSA）

啁啾脈衝放大的技術要點如下。首先將超短激光脈衝在時間上拉長几個數量級，所以功率峰值相應地下降幾個數量級。然後在激光材料中安全地放大。最後在時間上壓縮回原來的長度，已經放大過的功率峰值隨之變得非常高。“啁啾（chirp）”本來是指鳥鳴聲，後來用來指脈衝信號中頻率隨時間單調增加或下降。

雖然看上去簡單，但是莫雷和斯特里克蘭經過幾年的努力才使設想成為現實[3,17]。他們最初的方法如下。先將納焦耳脈衝與單模光纖耦合，拉長到300皮（10^-12）秒，脈衝在光纖中啁啾化，頻率隨時間而增大，叫做上啁啾，然後將啁啾信號放大，最後，長的啁啾脈衝被雙柵壓縮器壓到2皮秒，能量達到1毫焦耳。後來研究組又取得了進一步進展，於1986年產生了1太（10¹²）瓦的激光。再後來，用於拉長脈衝的光纖被一對衍射光柵取代，以拉長脈衝。1988年，莫雷研究組實現了從納焦耳到焦耳的9個數量級的放大 [18]。這導致光脈衝強度的大躍進。

後來別的研究組提出基於啁啾脈衝放大的新技術，例如能產生更高強度的所謂光學參數啁啾脈衝放大。基於釹玻璃的激光可以產生1皮秒1焦耳的脈衝，基於摻鈦藍寶石的激光可以得到100飛（10

現在全世界有幾十臺運行或建造中的拍瓦激光器，還有更高功率的激光在計劃中，例如莫雷推動的歐洲合作的極端光設施（Extreme Light Infrastructure）的捷克分部將有10拍瓦的激光，強度預期可以達到每平方釐米10²³。這些裝置可以用來研究一些極端物態，如輻射主導的物質、高壓量子物質、溫緻密物質與超相對論等離子體。這些領域屬於高能量密度物理，對於天體物理和慣性約束聚變都很重要。

造價較低的桌面太瓦激光可以用於研究強場物理、阿秒科學、激光等離子體加速等等。基於啁啾脈衝放大的飛秒激光可以用來研究強激光中的物理。在原子物理的強場區，光場強度能將原子電離化併產生動能很大的電子。阿秒激光可以探測原子分子和凝聚態中的電子的動力學。高強度的激光還可以產生等離子波，在1釐米距離中將電子加速到10億電子伏特，這提供了新的加速器原理。

啁啾脈衝放大技術還產生適用於工業和醫療的超短激光，特別是對於需要高精密度的情況。比如用超短激光脈衝在媒質中刻錄信息而不損傷材料。醫學上，用激光脈衝製作手術定位板、加強血管及身體中其他通道用的微米金屬圓柱體等等。每個脈衝大概120納焦的飛秒激光還用於近視和散光的屈光手術。在激光原位角膜磨削術（LASIK）中，為了讓準分子激光能到達並改變角膜基質，需要用飛秒激光產生角膜瓣。而在某個一體化飛秒激光方案中，不需要產生角膜瓣，而只需要產生一個4毫米或更小的切口，然後移除光切割的小透鏡層，改變角膜形狀，修正屈光。

►莫雷2010年參與的極端光設施的宣傳片最近引發爭議。（來源：https://www.theguardian.com/science/2018/oct/05/bizarre-video-of-nobel-physics-laureate-gerard-mourou-surfaces）

6 師生合作獲獎

斯特里克蘭研究啁啾脈衝放大技術的時候還是研究生。她的獲獎讓我想起，1974年Anthony Hewish因為脈衝星的發現分享諾貝爾物理學獎，而作出關鍵貢獻的女研究生Jocelyn Bell無緣諾獎。這件事當時就被詬病，一直至今受到非常廣泛的關注。1977年，Bell自己曾經冷處理此事，說她覺得如果諾貝爾獎授予研究生，會貶低諾貝爾獎，除非在特殊情況下，而她不屬於那些特殊情況 [4]。Bell今年得到了基礎科學特別突破獎。

不過聽說Bell的事情似乎使得諾貝爾獎委員會從此小心對待師生合作的情形。比如發現脈衝雙星的學生Russell A. Hulse和導師Joseph H. Taylor Jr. 分享了1993年的諾貝爾物理學獎（Hulse博士畢業後就離開了天體物理）。

按照諾貝爾獎的標準，諾貝爾獎是獎給某一項研究成果的。根據這個原則，研究人員只要在諾獎委員會認為值得獲得諾獎的某一項研究成果中，作出足夠重要的貢獻，就可以也應該獲諾貝爾獎，而與其他學術貢獻與學術水平無關。相反，一些作出若干傑出貢獻的科學大師無緣諾獎，因為其中沒有一項貢獻被諾獎委員會認為可以獲得諾獎。

7 總結

阿什金利用激光光壓發明了光鑷，能夠囚禁和控制微粒、細菌、細胞、病毒、分子和原子，而且可以不損傷生命物質，提供了在微觀細節上研究生命過程的革命性手段。除了諾貝爾獎頒獎詞明確指出的功績之外，筆者認為阿什金的激光囚禁原子的思想對於後來冷原子物理的發展也非常重要。莫雷和斯特里克蘭的啁啾脈衝放大技術導致超短激光的強度暴增，為基礎和應用研究帶來很多途徑，並在工業和人類生活中廣泛應用。

參考文獻：

[1] The Nobel Prize in Physics 2018. NobelPrize.org.

[2] Tools made of light, Popular Science Background, The Nobel Prize in Physics 2018.

[3] Groundbreaking Inventions in Laser Physics, Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2018. (本文多處引用該文，不再一一註明)。

[4] Wikipedia.

[5] The Nobel Prize in Physics 1964.NobelPrize.org.

[6] The Nobel Prize in Physics 1997.NobelPrize.org.

[7] Ashkin A. Optical Trapping and Manipulation of Neutral Particles Using Lasers. World Scientific, 2006.

[8] Ashkin A. Acceleration and trapping of particles by radiation pressure, 1970. Phys. Rev. Lett. 24: 156

[9] Ashkin A. Trapping of atoms by resonance radiation pressure, 1978. Phys. Rev. Lett. 40: 729

[10] Ashkin A, Dziedzic J M, Bjorholm J E, Chu S. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles, 1986. Opt. Lett. 11:288

[11] Chu S, Bjorholm J E, AshkinA, Cable A. Experimental observation of optically trapped atoms, 1986, Phys.Rev. Lett. 57: 314

[12] Ashkin A, Dziedzic J M.Optical trapping and manipulation of virus and bacteria, 1987, Science, 235:1517

[13] Ashkin A, Dziedzic J M, Yamane T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams, 1987, Nature, 330:769

[14] Ashkin A, Dziedzic J M.Internal cell manipulation using infrared laser traps, 1989, Proc. Natl. Acad.Sci. USA, 86:7914

[15] Ashkin A, Schütze K, Dziedzic J M, Euteneuer U, Schliwa M. Force generation of organelle transport measured in vivo by an infrared laser trap, 1990, Nature, 348:346

[16]Reuters. 96-year-old Ashkin wins Nobel Prize for Physics. https://www.msn.com/en-us/sports/tennis/96-year-old-ashkin-wins-nobel-prize-for-physics/vi-BBNQxg1

[17] Strickland D. Mourou G.Compression of amplified chirped optical pulses. 1985. Opt. Commun. 56: 219

[18] Main P, Strickland D, Bado P, Pessort M, Mourou G. Generation of ultrahigh pea power pulses by chirped pulse amplification. 1988. IEEE J. Quantum Electron. QE-24: 398.

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