2018诺贝尔物理学奖:从科幻照进现实的激光|直击诺奖

来源:天下入汛以来洪涝灾难造成86人殒命,13人失踪 发表时间:2018-10-09

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原题目:2018诺贝尔物理学奖:从科幻照进现实的激光 | 直击诺奖

今年被授予诺奖的发现彻底改变了激光物理学,让极小的物体与极快的历程以全新的方式泛起。不止是物理学,化学、生物学与医学都因该发现而获得了可用于基础研究和现实应用的细密仪器。

阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)发现了光学镊子,能用激光束夹起粒子、原子、分子。它还能夹起病毒、细菌及其他活细胞,并能让它们在检查和处置惩罚时不被损坏。阿什金的光学镊子为视察和控制生命的机械缔造了全新的时机。

杰哈·莫罗(Gérard Mourou)与多娜·斯崔克兰(Donna Strickland)为人类缔造的最短、最强的激光脉冲打下了基础。他们开发的手艺开发了新的研究领域,并带来了普遍的工业和医疗应用。例如,每年有无数次的眼睛手术是由最尖锐的激光束完成的。

旅行于光线之中

阿瑟·阿什金有一个梦想:若是光束可以用来干活、移动物体,那有多好。20世纪60年月开播的《星际迷航》系列中,牵引光束可以用来取回物体,甚至是太空中的小行星,而无需物理接触。固然,这听起来就像是纯粹科幻。我们可以感受到阳光是携带能量的——在阳光下我们会感应热——只是光束的压力很是小,连一丝推力都感受不到。但它的气力是否足以推动极小的粒子和原子呢?

图 |《星际迷航》

1960年第一台激光器发现后,阿什金立刻最先用这个新机械在纽约城外的贝尔实验室举行实验。在激光中,光波相关地向前流传;而在通俗的白光中,光束混淆了彩虹的所有颜色,并在每个偏向上散射。

阿什金意识到,激光是用光束移动微观粒子的理想工具。他照亮微米尺寸的透明球体,果真,立刻就能让这些小球移动。同时令阿什金惊讶的是,这些球体被吸到了光束中心——那里光强度最大。为什么呢?不管一束激光何等细锐,它的强度总是会由中央向边缘逐渐削弱。因此,激光给粒子的辐射压也会发生转变,将粒子推向光束中心,并把它们维持在中央位置。

为了将粒子保持在光束偏向上,阿什金又增添了一个高强度透镜来聚焦激光。于是,这些粒子被吸向光强度最大的一点。一个光陷阱降生了。厥后人们称它为光学镊子

阿什金造出的光阱

用光捕捉活细菌

在多年起劲和频频失败后,光陷阱终于可以捕捉单个原子了。这时代曾有过许多难题,其一就是光镊必须足够有力才气捕捉原子;其二就是原子的热振动。以是必须找到一种要领,能够减慢原子的运动并把它们局限在一个极小的区域——比句号还要小。到1986年,一切都准备停当了:光镊搭配上其他的一些手段,就可以实现停下并俘获原子的效果。

随着原子减速生长成自力研究领域,阿瑟·阿什金发现了光镊的一种全新用途——用于研究生物系统。他的发现实在算得上是机缘巧合。他曾经试着用光镊捕捉一些更小的粒子,使用的样品是小的花叶病毒。在他恰巧把样品敞着放了一整夜之后,样品上充满了四处乱跑的大粒子。阿什金用显微镜视察到,这些粒子实在是一些无法自由游动的细菌——当它们靠近激光束的时间,被光阱所捕捉了。不外阿什金的绿色激光能量太强,把细菌都杀死了。因此要想保持细菌的活性,就得用能量弱一些的激光。使用红外激光的话,细菌就不会受到损伤,而且还可以在光阱里继续滋生。

据此,阿什金的研究接下来集中在多种差别的细菌、病毒和其他活细胞中。他甚至证实,可以在不破损细胞膜的情形下碰触到细胞内。阿什金以他的光学镊子开启了一整套全新的应用领域。这个手艺带来的一项主要的突破是,能够研究细胞内的分子马达的机械属性;分子马达在细胞里起到了至关主要的作用。第一个使用光镊详细描绘的马达卵白叫“驱动卵白”,研究者发现它会沿着细胞骨架的一部门——微管——一步一步地移动。

分子马达在光阱中前进

从科幻到现实应用

已往几年里,许多其他研究者受到阿什金的启发,使用了他的要领并把它进一步完善。现在,光学镊子推动的应用不可胜数,它们能让研究职员不接触到研究工具,就观察、翻转、切割和推拉实验物体。在许多实验室中,光学镊子因此成为尺度装备,用来研究生物历程,如单个卵白、分子马达、DNA或细胞内部的运作。光学全息术即是最近的希望之一,这种手艺允许上千镊子同时事情,例如从熏染细胞中分散康健的血细胞,而这可以普遍应用于反抗疟疾的研究中。

阿什金始终赞叹于他的工具取得的希望。另外两位获奖者的发现——超短和超强的激光脉冲,也是曾经的未来梦想成为了现实。

超短高强度光束的新手艺

这项手艺的灵感来自于一篇科普,文章里形貌了雷达和它的长无线电波。不外,岂论是从理论照旧现实操作上,要将这个想法转移到更短的光波上都不容易。1985年12月,多娜·斯崔克兰揭晓了自己的第一篇科学论文,在其中形貌了这个突破性的观点。其时她从加拿大搬到了美国罗切斯特大学,在这里她最先对激光物理感兴趣;这不仅是由于那些将实验室点亮得犹如圣诞树一样平常的绿色和红色光束,也是由于她的导师杰哈•莫罗的未来展望。这些展望里有一项已经实现了——把短激光脉冲放大到史无前例的水平。

多娜·斯崔克兰接到获奖电话 | Doug Dykaar

激光是通过一种链式反映缔造出来的——这个历程中,光子天生了更多的光子。它们能以脉冲的形式发射出来。自从约60年前激光被发现最先,研究者们就试图缔造出更强的脉冲。然而,到了80年月中期,这条门路似乎走到了止境。对于短脉冲而言,再增添光强,就会把放大质料给销毁了。

斯崔克兰和莫罗的新手艺,啁啾(zhōu jiū)脉冲放大手艺(CPA),既简朴又优雅。取一段短激光脉冲,在时间上拉长,把它放大,再重新压缩成短脉冲。当脉冲拉长之后,峰值功率就会大幅下降,这样就可以在不损坏放大器的条件下放大到更高的倍数。之后切脉冲重新压缩,于是更多的光就被压缩到了很小的空间中,脉冲的强度就随之急剧上升。

当将脉冲变到音频时,会发出一种声音,听起来像鸟叫的啁啾声,故名“啁啾”。想知道它听起来是什么样子的?这是LIGO接受到的引力波信号,也有啁啾信号的特点。各人可以感受一下 | ligo.org

斯崔克兰和莫罗花了好几年的时间才将各个步骤乐成组合起来。和大多数项目一样,实践和观点上的大量细节给研究带来了许多难题。例如,他们用新得手的一根2.5千米的光纤延展了脉冲,可是另一端却没有光出来——光纤在中心那里断掉了。他们费了很鼎力大举气,最终只好委曲使用1.4千米的光纤。项目中遇到的一个主要的难点是保证各步骤的装备间步伐一致:延展器和压缩器必须同步。这一难点最终也解决了。1985年,斯崔克兰和莫罗首次证实了他们两人优雅的理论也能在实践中生效。

啁啾脉冲放大手艺(CPA)

斯崔克兰和莫罗发现的CPA手艺掀起了激光物理学界的革命,成为了之后所有高强度激光器的尺度手艺,并开启了物理、化学和医学中新领域和新应用的大门。现在,人们可以在实验室里就造出有史以来最短、最强的激光脉冲。

天下上最快的摄影机

怎样应用这些超短的强脉冲?一个早期应用领域是,给发生在分子和原子间的事情举行快速照相。在瞬息万变的微观天下里,事情发生得云云之快,以至于很长一段时间里人们只能形貌事务之前和之后的场景。但运用短至飞秒级别——也就是十亿分之一秒长的脉冲,曾经好像瞬间发生的事情也能瞥见了。

最快的照相机 |Lund University

激光的极高强度也使其成为改变物质性子的工具:绝缘体会转酿成导体;而极其尖锐的激光束使在差别质料上极其精致地切割或钻孔成为可能——甚至是在活的生物里。

好比,激光可被用作更高效的数据储存,这样数据不仅存储在质料外貌,还可以存储在质料内部深挖的小孔里。这种手艺也被用来生产手术支架,这些支架是只有微米尺度的金属圆柱体,可以用来对血管、尿道和身体其他通路举行扩张和加固。

另有数不清的使用领域还未被完全探索。每一次手艺前进都使研究者得以深入探索新天下,改变着基础研究和现实应用。

脉冲越快,就能视察到越快的瞬间

近几年新泛起的研究领域之一是阿托秒物理。一阿托秒是一秒的十亿分之一的十亿分之一;短于一百阿托秒的激光脉冲展现了电子的神奇天下。电子是化学的主力;它们卖力所有物质的光学和电学属性,还卖力化学键间的相互作用。现在它们不光可以被视察到,还能被控制。

迈向更猛烈的光

这些新的激光手艺将会很快应用于更多场所:更快的电子元件,更高效的太阳能电池,更好的催化剂,越发强有力的粒子加速器,新能源,另有定制药品。难怪激光物理是云云充满竞争的领域。

多娜·斯崔克兰现在在加拿大继续她的研究事情,杰哈·莫罗回到法国到场泛欧激光企图与其他项目。他提倡并向导了极限光基础设施(ELI)的早期开发。未来几年内,捷克共和国、匈牙利和罗马尼亚将建成三处园地。设计峰值为10拍瓦(10^16瓦),相当于100万亿个灯泡同时在极短时间发出闪光。

图 | extreme-light-infrastructure.eu

这几个差别的地方将会专注于差别的领域——匈牙利会专注于阿托秒,罗马尼亚是核物理,捷克则是高能粒子束。中国、日本、美国和俄罗斯正在计划更新更强盛的设施。

人们已经在设想下一步的希望:功率会提高10倍,到达100拍瓦。激光手艺的未来生长不会止步于此:为什么不会是泽瓦(10^21瓦)的功率,或者脉冲降到仄秒(细小到近乎难以想象的时间片断——10^-21 秒)呢?新的领土正在不停被开拓——从真空中的量子物理学研究到用来切除人体内癌细胞的强质子束产物。然而,即即是现在,这些重大的发现已经可以让我们可以在微观天下详尽探索了,这也正是阿尔弗雷德•诺贝尔的精神所在——为全人类做出重大孝敬。

编译:果壳编译班

编辑:Ent

编译泉源:

https://old.nobelprize.org/phy-popular.pdf

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