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别开生面的2018年诺贝尔物理奖 2019-10-26 16:47:18

2018年的诺贝尔物理学奖发给了美国的阿斯金(Arthur Ashkin),法国的毛罗(Garard Mourou)和加拿大的斯蒂柯兰德(Donna Strickland),表彰他们在激光技术方面做出的贡献。激光领域的工作得奖已经有很多次了。但是这个奖却有不少特别的地方。

通常我们说起激光,其最重要的特点就是高度的单色性和平行性。而这次得奖的两个工作,利用的却是多频率和多方向的激光。而且这两个工作的价值不是关于激光原理,而是将激光用作科学研究的工具。

2018年物理奖表彰了两个工作。一个是阿斯金的“光学镊子”工作。我们在中学物理中都学过,光线在进入和离开介质时会发生折射和反射。在量子层次上说,那就是光子在介质的作用下发生偏转。按照牛顿第三定律,这时候介质也会受到一个反作用力,称为光压。虽然在日常生活中光压通常非常微小可以忽略不计,但当微米级的小球在强力激光照射下时,它受到的光压可以轻松抵消重力。(其实在更大的尺度上光压也有表现。彗星的尾巴就是光压的结果。人们也设想建造巨大的“光帆”来收集来自太阳的光压作为宇宙航行的动力。)

反射引起的光压是把介质球推向光的传播方向。而折射引起的光压的结果是把介质球推向光场更强的地方。所以如果有一个光场分布是中间强,边缘弱,那介质球就可以稳定地停留在光场中心了。阿斯金的工作就是利用这个性质,用透镜把激光聚焦形成一个“光学镊子”,把微小物体“钳”在焦点并可以随着光束移动。阿金斯并利用这个工具开创了很多生物研究的技术。他可以把细胞或细菌连接在小玻璃球上,用光学镊子带着它旅行。他也可以用光学镊子来带动DNA片段在细胞体内移动。阿金斯的同事朱棣文(Steven Chu,现为斯坦福大学教授)获得1997年诺贝尔奖的工作“原子陷阱”也是基于阿金斯的光学镊子。

如果说阿金斯的工作关键是用激光造成高度不均匀的光场分布,那另一个得奖工作 ——毛罗和斯蒂柯兰德的“超高功率激光”就是利用超短激光脉冲的非单色性了。

超高功率的激光是非常有用的研究工具,因为它能造成多种非线性的光学现象,也能为物理过程提供超大能量(如触发核聚变反应)。提高激光功率的办法是制造超短(飞秒级,甚至更短)的脉冲,这样把能量集中到很短的时间里,功率自然就高了。但问题是制造出超短脉冲后还需要进一步放大。但那时候的功率太高了,会烧毁放大材料。所以放大材料的能力限制了最后的输出功率。斯蒂柯兰德在跟从毛罗在美国的罗切斯特大学做博士研究时,领到的任务就是设法解决这个难题。

按照傅立叶分析原理,超短的脉冲必然具有很大的频宽。也就是说那时候的激光不是单一波长,而是由很多波长组成的。这些波长的光按照一定的相位关系相加,就成了超短脉冲。但如果改变这个相位关系,那个脉冲就会被“拉长”,功率也会降低。斯蒂柯兰德和毛罗就根据这个原理,用具有色散性能的光纤来“拉长”超短脉冲。在这种光纤中,不同波长的光传播速度略有不同,所以它们到达终点的时间也不同,这样脉冲就散开了。把脉冲“拉长”后就可以轻松放大,然后用一个光栅来纠正色散,恢复原来的相位关系。这样,被放大后的超短脉冲就诞生了。后来他们进一步用光栅代替了光纤,使得结果更可控,性能也更好。自从他们八十年代中期发明这个技术之后,激光功率如半导体工业中的“摩尔定律”那样一直稳步指数增加,现在已经提高了十个数量级。不用说,相关的物理研究也是如虎添翼了。

这两个工作原理上都不复杂高深,但都是“跳出盒子”式的创新,因为它们都不是利用激光的公认优点:平行性和单色性。(当然也只有从平行和单色出发,才能制造出这些工作需要的精密聚焦和超短脉冲。)这些工作的价值不在于对物理原理理解的加深,而在于为科学研究提供了非常有用的工具。

除了具体的得奖工作外,2018年物理奖还有一些独特的地方。得奖者之一斯蒂柯兰德是历史上继居里夫人(1903,她也是第一位得诺贝尔奖的女性)和吉奥普-梅耶(1963)后的第三位得物理学奖的女性。另一个传奇是:她的得奖工作发表在一篇只有三页长的论文中,而那是那位26岁的研究生的第一篇论文。另一位得奖者阿斯金是当时历史上年纪最大的得奖者(96岁),但这个记录在2019年被化学奖得主古德依那夫(97岁)打破。

另外,阿斯金是贝尔实验室的第九位诺贝尔奖得主。他在1992年从贝尔实验室退休,但仍在家里的实验室从事研究。阿斯金得奖后,贝尔实验室(现在被诺基亚公司拥有)总裁还发表文章,宣传贝尔实验室“既重视产品又重视人文进步”,作为一个工业实验室却产生很多一流科学工作。其实至今所有贝尔实验室的得奖工作都是在八十年代初AT&T解体之前或之后不久做出的。从那以后,贝尔实验室迫于商业竞争压力,在基础研究方面的投入和产出都断崖式下降。现在已经不能想象他们会做出诺贝尔级工作(除非有特别好的运气)。所以,2018年的物理奖也可以算是对贝尔实验室那个黄金年代的一个纪念吧。

 


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