來源：新浪科技

哲學園鳴謝

新浪科技訊 北京時間10月2日消息

據國外媒體報道，諾貝爾物理學獎剛剛揭曉！

2018年諾貝爾物理學獎授予Arthur Ashkin、 Gérard Mourou 、Donna Strickland，由來自美國，法國和加拿大的三位科學家共同分享，表彰他們在激光物理研究領域的突破性發明 ！瑞典皇家科學院將9百萬瑞典克朗（約合695萬人民幣）的獎金一半授予美國科學家亞瑟·阿什金Arthur Ashkin，另一半將法國科學家　吉拉德·毛羅Garard Mourou和加拿大科學家多娜·斯蒂克蘭德Donna Strickland一起分享。

亞瑟·阿什金Arthur Ashkin的獲獎理由是「由於他所發明的光鑷及其在生物系統領域的廣泛應用」，亞瑟·阿什金來自美國貝爾實驗室；

另兩位科學家的獲獎理由是「他們所開創的高強度，超短波長激光產生方法」，吉拉德·毛羅來自法國巴黎綜合理工大學，多娜·斯特克蘭德來自加拿大滑鐵盧大學；

值得一提的是，Donna Strickland是自2015年以來第一位獲得諾貝爾獎的女性，她也是第三位獲得諾貝爾物理學獎的女性，第一位是1903年居里夫人。

今年諾貝爾物理學獎授予激光物理學革命性發明。激光物理通過新的裝置可對非常小的物體進行實驗，並實現難以置信的快速進程，先進的精密儀器正在開闢未知研究領域，並應用於工業和醫療領域。

科幻已經成為現實。光鑷或光鉗使得我們可以利用光束作為工具，去進行觀察，轉動，切，推或者拉的動作。在許多實驗室中，光鉗被廣泛用於對生物過程的觀察，比如蛋白質，分子馬達，DNA或者細胞內部活動。

由光製成的工具

今年的獲獎成就在激光物理領域產生了一場革命，我們現在可以用嶄新的方法對極端微小的物體和超高速過程進行觀察。先進的精細設備正在打開嶄新的研究領域，並具有廣闊的工業與醫學應用前景。

亞瑟·阿什金髮明的光鑷使用激光光束來抓取粒子，原子以及分子。這種嶄新的工具使阿什金得以講一個古老的科幻夢想變成現實，那就是利用光的輻射壓強去移動物理對象。他成功地操控激光束，使其接近光束的中心並在那裡被囚禁住。這就是光鑷。

一項關鍵性的突破出現在1987年，當時阿什金使用光鑷在不對其造成傷害的情況下捕獲了活體的細菌，隨後他立即開始著手對生物系統的研究。今天，他發明的光鑷技術已經被廣泛應用於對生命機制的探索。

吉拉德·毛羅和多娜·斯蒂克蘭德所做的工作為產生人類有史以來波長最短，能量最高的激光鋪平了道路。他們的那篇開創性論文發表於1985年，這也是多娜·斯蒂克蘭德博士論文的基礎。

藉助一種巧妙的方法，他們成功地在不損壞放大材料的基礎上創造出超短波長，超高強度的激光。他們首先將激光波束在時間上拉伸，以便削弱其峰值強度，隨後對其進行放大，最後再對其進行壓縮。如果一段波束在時間上被壓縮，變得波長更短，那麼將會有更多的光被壓縮到一個極小的空間內，此時該波束的強度就將急劇上升。

吉拉德·毛羅和多娜·斯蒂克蘭德的這項新技術被稱作「啁啾脈衝放大」（CPA），並很快被推廣並成為產生超強激光束的標準技術。每年在全球各地開展的數百萬例眼科激光手術中，就應用到了這項技術。

這些技術在不同領域的應用價值還尚未得到充分的探索。但是即便是在現在，這些技術的結合已經可以讓我們在微觀世界裡到處探尋，並時刻銘記諾貝爾獎創建者諾貝爾先生的遺志：為了全人類的福祉。

去年諾貝爾物理學獎授予三位美國科學家，他們使用深奧理論和巧妙裝置探測宇宙引力波。

獲獎人

唐納·斯特里克蘭（Donna Strickland），來自加拿大滑鐵盧大學的國際著名光學專家、啁啾脈衝放大技術（Chirped Pulse Amplification， 簡稱CPA技術）發明者之一。她曾是加拿大國家研究中心的研究助理，勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的科學家和普林斯頓大學技術委員會委員。唐納·斯特里克蘭教授於1997年進入加拿大滑鐵盧大學物理系，她曾獲得過隆研究學者獎、科特雷爾學者獎和總理傑出研究獎，她現在是美國光學學會的會士並曾於2013年度擔任美國光學學會主席。

「我們必須為女性物理學家們歡呼，因為她們就在那裡。我很驕傲我是她們之中的一員。」——多娜·斯蒂克蘭

多娜·斯蒂克蘭今天的獲獎，使其成為繼瑪麗·居里（居里夫人，1903）以及瑪利亞·梅耶（梅耶夫人，1963）之後，歷史上第三位獲得諾貝爾物理學獎的女性科學家。

亞瑟·阿什金Arthur Ashkin，出生於1922年9月2日，是美國科學家和諾貝爾獎得主，他曾在貝爾實驗室和朗訊科技公司工作過。20世紀60年代後期，他開始使用激光操控微粒，1986年發明了光學鑷子。同時，他還開創性研製光學捕獲過程，最終用於操控原子、分子和生物細胞。該過程的關鍵在於光的輻射壓力，該壓力可以分解為光學梯度和散射力。阿什金被許多人認為是「光學鑷子研究領域之父」。

1992年，阿什金從貝爾實驗室退休，在他40年的職業生涯中，他參與了許多實驗物理學領域的研究。多年以來，他撰寫了許多研究論文，擁有47項專利。2003年，他被授予約瑟夫·吉時利測量科學進步獎；2004年，他被授予哈維獎。1984年，他被選入美國國家工程學院，1996年，他被選入美國國家科學院。目前，他繼續在自己的家庭實驗室工作。

吉拉德·毛羅（Gérard Albert Mourou）出生於1944年，他是一位法國科學家，也是電氣工程、激光領域的先驅者。他和唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland）共同發明了一種「脈衝放大技術（CPA）」。之後該技術被用於製造超強度脈衝、超高強度（萬兆瓦等級）的激光脈衝。

1994年，毛隆和密歇根大學研究小組通過電離和稀疏空氣中萬兆瓦等級激光束，可以發現自聚焦折射和自衰減衍射之間的平衡。

2015年11月23日，毛隆出席了羅馬尼亞首都布加勒斯特第三屆聖誕講座，他的報告主題是——「突破未知：極端光線，從科學到藝術。」

以下是關於諾貝爾物理學獎的一些趣事：

1、從1901年到2017年，物理學獎一共頒發111次。其中，有47次授予一名科學家，32次由兩名科學家分享，32次由三名科學家分享。

2、共有207人次獲得諾貝爾物理學獎，其中美國物理學家約翰·巴丁在1956年和1972年兩次摘走物理學獎桂冠，因此實際獲獎科學家為206名。

3、截至2017年，只有兩名女性科學家獲得物理學獎。最近一次是在1963年，德裔美國女物理學家瑪麗亞·格佩特-梅耶因發展了解釋原子核結構的數學模型獲得物理學獎。

4、歷屆物理學獎獲獎者獲獎時的平均年齡是55歲。最年輕的得主是英國物理學家勞倫斯·布拉格，他因X射線晶體結構的研究於1915年獲獎，當時才25歲；最年長的是美國科學家雷蒙德·戴維斯，他2002年獲獎時已88歲高齡。

5、在物理學獎的歷史上，曾有1對「夫妻檔」同時獲獎。居里夫婦的故事人們早已耳熟能詳，因對放射性物質的研究，皮埃爾·居里、瑪麗·居里夫婦一同獲得1903年諾貝爾物理學獎。有意思的是，居里夫婦的女兒伊雷娜·約里奧—居里與丈夫弗雷德里奧·約里奧共同獲得過1935年諾貝爾化學獎。

6、在物理學獎獲獎者中，還有4對「父子檔」，其中威廉·布拉格與勞倫斯·布拉格於1915年同時獲獎，其他三對父子不是同年獲獎。

通往更加極端的光學之路

「用光製造的工具」獲諾獎

新浪科技訊 北京時間10月2日消息，據國外媒體報道，今年的諾貝爾物理學獎授予了變革了激光物理學的發明。在一種新的光線下，我們可以發現極為微小的物體和極其快速的過程。不只是物理學，化學、生物學和醫學都從先進的精密儀器中受益，無論是基礎研究和實際應用。

亞瑟·阿什金（Arthur Ashkin）發明了光學鑷子，能通過激光束「手指」抓取顆粒、原子和分子。光學鑷子還能用於操縱病毒、細菌和其他活體細胞，並且在觀察和操縱過程中不造成損傷。阿什金的光學鑷子為觀察和控制生命的機械過程創造了全新的契機。

傑哈·莫羅（Gérard Mourou）和 多娜·斯崔克蘭（Donna Strickland）為人類研製有史以來波長最短、能量最高的激光鋪平了道路。他們所開創的技術開啟了該領域科學研究的嶄新紀元，並在工業與醫藥領域得到廣泛應用。例如，每年都有數以百萬計的眼科手術正是藉助最鋒利的激光束完成的。

阿什金開發了一種光學陷阱，後來該技術被稱為光學鑷子 1 微小的透明圓球被激光照射後開始移動。它們的速度與阿什金的理論估算相符，表明確實是輻射壓在推動著它們。 2 一個令人意想不到的效應是，輻射壓力具有梯度，會促使圓球向光束中央位置移動，那裡有著最高的光強度。這是因為光強度會向外側逐漸減小，而推動小球的所有力的總和將其推向光束中心。 3 阿什金將激光束的方向朝上，使圓球浮起。此時輻射壓抵消了重力。 4 激光束經由透鏡實現聚焦。此時光線就可以用於捕獲粒子，甚至操縱活著的細菌和細胞，成為一把光學鑷子。

光學鑷子繪製出了驅動蛋白沿著細胞骨架移動的過程 1 驅動蛋白分子連接到光學鑷子操縱的一個小圓球上。 2 驅動蛋白沿著細胞骨架移動。它拉動了圓球，因此可以通過圓球測量其「行走」運動。 3 最終，驅動蛋白無法承受光學陷阱的力，圓球回到了光束中心。

在光束中移動

亞瑟·阿什金有一個夢想：將光束作為工作時的工具，並用它推動物體移動。在20世紀60年代中期推出的系列美劇《星際迷航》中，有一種光束可以在不觸及物體——包括太空中的小行星——的情況下對其進行牽引。當然，這聽起來就像純粹的科幻概念。我們能感覺到陽光攜帶著能量，曬太陽會讓我們感受到熱，但來自陽光光束的壓力太小，我們沒有任何擠壓感。但是，這種壓力是否足以推動極其微小的顆粒和原子呢？

在1960年第一台激光器發明之後，阿什金立即開始在紐約郊外的貝爾實驗室中試驗這台新設備。在激光中，光波會連續移動，而不是像平常的白光那樣混雜了各種各樣的顏色，並向各個方向傳播。

阿什金意識到，激光可以作為一種完美的工具，利用光束來移動微小粒子是可能的。他用激光照射微米級的透明小球，並很快就讓這些小球動了起來。與此同時，阿什金驚訝地發現，這些小球被拉到了光束最為密集的中間位置。對此的解釋是，無論一束激光有多麼銳利，它的強度也會從中間向兩側減小。因此，激光施加於粒子上的輻射壓也有差別，會迫使它們朝著光束中心的位置移動並穩定下來。

為了保持粒子位於光束的方向上，阿什金增加了一個聚焦激光的強透鏡。這些粒子因此被拉向光強度最高的位置。一個光學陷阱誕生了；後來，這種裝置被稱為光學鑷子。

光線捕獲的活細菌

經過多年的努力和多次挫折之後，科學家終於能用這個光學陷阱捕獲單個原子。這一過程存在許多困難：一個是光學鑷子需要更強的力以抓取原子，另一個問題是原子的熱振動。有必要找到一種方法，使原子的運動減慢下來，並將它們放入一個比本句最後的句點還要小得多的區域內。一切問題都在1986年得到解決，光學鑷子與其他方法相結合，成功靜止並捕獲了原子。

在減慢原子速度本身成為一個新研究領域的同時，亞瑟·阿什金髮現了光學鑷子的一個全新用途——研究生物系統。一個契機的出現使他進入了這一領域。在嘗試捕獲更小粒子的過程中，阿什金使用了小型花葉病毒的樣品。在剛好將樣品暴露著放了一夜之後，裡面已經充滿了到處移動的大顆粒。在顯微鏡下，阿什金髮現這些粒子其實是到處遊動的細菌，而當它們靠近激光束時，會被困在光學陷阱當中。不過，阿什金的綠色激光束殺死了細菌，因此要讓它們活下來，還需要強度較小的光束。在不可見的紅外光下，細菌沒有受到損傷，並且能夠在光學陷阱中繁殖。

由此，阿什金接下來的研究主要關注眾多不同的細菌、病毒和活細胞。他甚至展示了在不破壞細胞膜的情況下，進入細胞內部的可能性。阿什金為光學鑷子的新用途開闢了一整個世界。一個重要的突破是對分子馬達——在細胞內部進行關鍵工作的大分子——機械性能的研究。利用光學鑷子進行詳細繪圖的分子馬達是一種驅動蛋白，它在微管構成的軌道上「行走」，而微管是細胞骨架的一部分。

從科幻小說到實際應用

在過去幾年間，許多研究者在阿什金髮明的基礎上進行了拓展。目前，光學鑷子推動了無數實踐應用的開發，使在不觸碰研究對象的情況下，利用光學鑷子對其進行觀察、翻轉、剪切、推動和牽引成為可能。在許多實驗室中，激光鑷子成為了研究生物過程——諸如單個蛋白質、分子馬達、DNA和細胞內部活動等——的標準設備。光學全息攝影是最新的開發成果之一，通過該技術，數千個光學鑷子可以同時發揮作用，其用途包括將健康細胞與感染細胞分離，這在對抗瘧疾等疾病的過程中具有廣闊的應用潛力。

超短高強度光束的新技術

該技術的靈感來自一篇描述雷達及其無線電波（長波）的學術文章。然而，將這一概念轉化為波長更短的光波十分困難，無論在理論上還是實踐上。1985年12月，一篇突破性的論文發表，而這正是多娜·斯崔克蘭的第一篇學術文章。她從加拿大搬到了美國的羅切斯特大學，在那裡對激光物理學產生了興趣，因為綠色和紅色的光束將實驗室裝點成了一棵聖誕樹，至少在她的導師傑哈·莫羅看來是這樣的。現在，科學家已經實現了論文中提到的一項技術——將短激光脈衝的強度提高到前所未有的程度。

激光的產生是通過光子的連鎖反應，不斷形成更多的光子。這些光子可以通過脈衝釋放。在大約60年前激光發明之後，研究人員一直努力嘗試製造出更高強度的脈衝。然而，到20世紀80年代中期，人們似乎到達了道路的終點。對於短脈衝而言，在不破壞放大材料的情況下，似乎已經不可能再增加激光的強度了。

CPA技術對於激光技術具有創新意義，它使用一種非常複雜的方法，使非常強而短的脈衝釋放成為可能，從而避免了破壞放大材料的風險。它不是直接放大光脈衝，首先及時拉伸，降低其峰值功率。之後脈衝被放大，當它被壓縮時，更多的光線就收集在同一個位置——光脈衝變得非常強烈。

斯崔克蘭和莫羅的新技術被稱為「啁啾脈衝放大」（chirped pulse amplification， CPA），是一種既簡單又精巧的技術。他們將短激光脈衝的時間延長，放大它又壓縮它。當激光脈衝的時間延長時，它的峰值功率大大降低，因此可以在不破壞放大器的情況下顯著放大。接著，激光脈衝的時間壓縮，意味著更多的光集中在很小的空間內，從而使脈衝強度極大增強。

斯崔克蘭和莫羅花了好幾年時間將這一切成功地結合在一起。與往常一樣，豐富的實踐和概念細節帶來了許多困難。例如，激光脈衝的延長需要用到一條新研製的2.5千米長光纖。但是，沒有光線出來——光纖在某處破裂了。經過大量的努力，他們發現1.4千米的長度已經足夠。一個重大的挑戰是同步設備中的各個階段，使光束的延長和壓縮相對應。這個問題在1985年也得到解決，斯崔克蘭和莫羅首次證明了他們的精巧設計在實踐中也能奏效。

斯崔克蘭和莫羅發明的CPA技術變革了激光物理學，成為後來所有高強度激光器的標準，並且為在物理學、化學和醫學中的應用開闢了全新的領域。現在，科學家在實驗室中已經能製造出最短最強的激光脈衝。

來自飛秒激光儀的短脈衝（圖右）比從納秒激光儀釋放的數百萬倍長的長脈衝（圖左），對材料造成的危害更小，超短和超密度激光脈衝可用於眼部手術、數據存儲和製造人體血管的醫用支架。

全世界最快的攝像機

超短高強度脈衝具體有哪些用途呢？該技術早期曾用於微觀攝影，在拍攝分子與原子時迅速照亮拍攝背景。這些過程速度極快，因此在很長一段時間裡，科學家只能描述反應前和反應後的情況，無法描述反應過程。但有了飛秒級的激光脈衝（即1秒的1000萬億分之一），我們便可以觀察到這些轉瞬即逝的過程了。

激光強度極高，足以改變物體性質，如可以將電子絕緣體轉變為導體。超精準激光束還能在各類材料上以極高的精度進行切割或鑽孔，尤其是在生物活質上。

例如，激光可以用於打造更高效的數據存儲，因為存儲空間可以不僅限於材料表面，還可以深入存儲介質內部、以微孔的形式存在。該技術還可用來製造外科手術支架（即能夠擴張、加強血管的微米級金屬圓柱體）、尿管和其它體內「通道」。

該技術的應用領域不計其數，但目前尚未得到完全發掘。每一項進展都能幫助研究人員打開新世界的大門，基礎研究和實際應用都隨之不斷改變。

「阿秒」物理是近年來新誕生的研究領域之一。短於100阿秒（1阿秒=10^-18秒）的激光脈衝能夠讓我們看到神奇的電子世界。電子相當於化學反應中的「老黃牛」，所有物質中的光學及電子性質、以及化學鍵都與電子有關。如今有了阿秒激光技術，科學家不僅能觀察電子，還能操控電子。

　　光脈衝速度越快，可被觀測到的運動就越快。幾乎不可思議的短激光脈衝都接近於幾飛秒，甚至比阿秒（attoseconds）等級快幾千倍。這樣的事件僅能進行猜測，被拍攝變化過程；原子核周圍的電子移動現在可使用阿秒照相機進行觀測。

通往更加極端的光學之路

對於這些全新的激光技術的許多應用已經呼之欲出——更快的電子設備，更高效的太陽能電池，更好的催化劑，更強大的加速器，新的能源，或者醫藥。因此毫不奇怪的，在激光物理領域存在著激烈的競爭。

多娜·斯崔克蘭現在繼續在加拿大開展自己的研究，而傑哈·莫羅已經回到法國，正參與一個覆蓋全歐洲的激光技術發展計劃。他發起並領導了歐洲「極端光基礎設備」（ELI）計劃。該計劃所涉及的三處分別位於捷克共和國，匈牙利和羅馬尼亞境內的設施預計將在數年內完工。該計劃產生的激光峰值強度將達到10拍瓦，這相當於100億個電燈泡同時點亮的能級。

高強度激光脈衝的發展。CPA技術是高強度脈衝技術爆炸性發展的基礎。

這三處設施將聚焦於不同的研究領域，匈牙利設施將聚焦阿秒研究，羅馬尼亞設施聚焦核物理學研究，而捷克共和國境內的設施將聚焦於高能粒子束研究。而在世界範圍內，還有更多，甚至比這更加強大的裝置也正在研製中，其中包括中國、日本、美國和俄羅斯的相關研究機構。

已經有學者開始設想下一步的發展：在強度上再升級10倍，達到100拍瓦級別。對於未來激光技術的展望不會止步於此。難道能量達到澤瓦（100萬拍瓦，10的21次方瓦）級別，脈衝時長短於千分之一阿秒（約合10的負21次方秒）的激光束就不能研製出來嗎？

新的地平線正在遠方隱隱顯現，從針對真空量子效應的研究，到用於治療癌症的放射療法。但是即便是現在，這些技術的結合已經可以讓我們在微觀世界裡到處探尋，並時刻銘記諾貝爾獎創建者諾貝爾先生的遺志：為了全人類的福祉。（新浪科技）

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