解讀諾貝爾物理學(xué)獎：沒有想到是一項技術(shù)獲獎
2018-10-03 11:13:37 中國科學(xué)報“沒有想到是一項技術(shù)獲獎。”今年的諾貝爾物理學(xué)獎得主并沒有出現(xiàn)在任何一份預(yù)測名單當(dāng)中。
就連獲獎?wù)咧弧⑽锢韺W(xué)獎史上第3位女性——加拿大滑鐵盧大學(xué)科學(xué)家唐納·史翠克蘭（Donna Strickland）在接到諾貝爾獎現(xiàn)場的電話時都激動地說：“首先，必須得說這很瘋狂！”
北京時間10月2日下午5時52分，2018年諾貝爾物理學(xué)獎揭曉。
今年該獎項被授予“激光物理學(xué)領(lǐng)域開創(chuàng)性的發(fā)明”。其中一半獎金授予美國貝爾實驗室科學(xué)家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin），因其在“光學(xué)鑷子及其在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用”領(lǐng)域所做的工作；另一半獎金由法國巴黎綜合理工學(xué)院科學(xué)家杰拉德·莫柔（Gérard Mourou）和加拿大滑鐵盧大學(xué)科學(xué)家唐納·史翠克蘭（Donna Strickland）共同分享，以表彰他們在“產(chǎn)生高強度、超短光脈沖方法”方面的工作。
UFO照下來一束光，然后就把人定住了，緊接著就是身體不受自己意識控制地進入了飛碟……原來這技術(shù)是真的！
阿瑟·阿什金發(fā)明的光學(xué)鑷子搬運粒子的情形就酷似一個無形的機械手，這個看不見的機械手將按照你的意志自如地控制目標(biāo)粒子。
Q：光鑷技術(shù)是如何被發(fā)現(xiàn)的？有什么用？
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)光鑷研究組教授李銀妹：
曾為阿瑟感到惋惜，認(rèn)為他錯過了1997年諾貝爾物理學(xué)獎。因為他曾在Bell實驗室與朱棣文一起研究原子冷卻，當(dāng)時阿瑟關(guān)注到光場對比較大的粒子的力學(xué)效應(yīng)，并在這個方向做了很多延伸，有了許多新發(fā)現(xiàn)，最終發(fā)明了光鑷。
阿瑟開辟了這項技術(shù)后，并一直堅持研究光鑷對細胞、單分子、單個顆粒的應(yīng)用。光鑷技術(shù)的“鬼斧神工”對于生命科學(xué)的意義，正如阿瑟所說：將細胞器從它正常位置移去的能力，為我們打開精確研究細胞功能的大門。光鑷是多學(xué)科交叉的技術(shù)，吸引越來越多的科學(xué)家投入其中。
中科院院士楊國禎：
這項技術(shù)特別是在生命科學(xué)和精密測量領(lǐng)域有很大用處。比如細胞、蛋白質(zhì)分子都是微小顆粒，“光鑷”可以用來操控這些分子和微小顆粒，通過調(diào)控它們的運動，可以用來研究和測量這些微粒或分子的性能。
Q：光鑷技術(shù)在中國的研究進展如何？
李銀妹：
1989年，中科院院士郭光燦聞訊光鑷子技術(shù)發(fā)明，在國內(nèi)開啟研究。我非常有幸當(dāng)年能參加到郭光燦老師領(lǐng)導(dǎo)光鑷技術(shù)研究。為了將光鑷技術(shù)介紹給中國學(xué)者，于1996年出版《生命科學(xué)新技術(shù)-光鑷技術(shù)原理、技術(shù)和應(yīng)用》， 2016年又與姚焜老師合著出版了《光鑷技術(shù)》。
2013年，我們首次成功利用光鑷技術(shù)實現(xiàn)對活體動物內(nèi)的細胞進行光學(xué)捕獲。在活的動物體內(nèi)研究細胞生長、遷移、細胞及蛋白質(zhì)間相互作用等生物學(xué)過程，對生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)研究以及臨床診斷具有重大意義。當(dāng)前正希望將光鑷技術(shù)向臨床方向突破，要將光鑷進入到更深層次，即血管內(nèi)進行細胞操控。
此突破的難點在于光通過一定厚度的活體組織會受到生物組織的強烈散射，這樣就不能形成光鑷。采取通過對活體組織外部光場進行調(diào)控的方法，期望達到在深度血管內(nèi)形成光鑷的目的。目前已在光場調(diào)控方面獲取一定進展，寄希望能取得如期目標(biāo)，將光鑷技術(shù)推向生物醫(yī)學(xué)實際應(yīng)用。
同時在行進的另一個研究方向，即利用光鑷操控一個被捏合在單分子上的微米小球來控制單個分子，用光鑷提供的pN力研究生物馬達相互作用以及RNA分子結(jié)構(gòu)和功能等。
你造嗎？每年數(shù)以百萬計的矯正眼睛手術(shù)，用的是一種叫做啁啾脈沖放大的技術(shù)。
杰拉德·莫柔和唐納·史翠克蘭為人類創(chuàng)建迄今最短、最強激光脈沖奠定了基礎(chǔ)。利用一種巧妙的方法，兩人在無須摧毀放大材料的前提下成功創(chuàng)建了超短高強度激光脈沖。
Q：啁啾脈沖放大技術(shù)是個啥？
中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所所長、中國科學(xué)院院士李儒新：
啁啾是什么意思呢？指的是鳥的叫聲在不同時刻有不同的頻率。他們兩個人發(fā)明的這種技術(shù)，能在放大光的過程中，讓光在不同時刻呈現(xiàn)不同的頻率。這種脈沖放大之后，再用另外一種技術(shù)把光的頻率同步起來，這樣就能獲得一個時間非常短、強度非常高的脈沖。
現(xiàn)在所有的大峰值功率激光器，都用到了這種放大技術(shù)。包括法國、英國、日本等一些國家正在進行的項目。在國內(nèi)有中科院物理所的PW級別的激光器，中科院上海光機所的10PW激光器，包括我們將要進行的100PW激光器的項目，也會用到這種技術(shù)。
李儒新院士與Gérard Mourou教授中國科學(xué)院物理研究所光物理重點實驗室研究員魏志義：
這種技術(shù)是做什么的呢？把激光的峰值功率安全地放大到更高的量級。如果把持續(xù)時間非常短的激光脈沖直接放大，會導(dǎo)致放大的飽和，以及激光元件的損壞，因此將遇到瓶頸。Mourou和他的學(xué)生Strickland就把脈沖展寬之后，再進行放大。等激光的能量高到一定程度之后，再進行脈沖壓縮，把脈沖寬度壓縮到很短，這樣一來，相應(yīng)的峰值功率就非常高，聚焦后的激光強度也就大大提高了。
魏志義2007年在第一屆國際PW激光討論會上，與諾獎得主Gérard Mourou的合影，最右為魏志義，右二為Gérard MourouQ：離應(yīng)用還有多遠？
魏志義：
經(jīng)過放大后的超快激光由于具有高的峰值功率與強度，如今在醫(yī)學(xué)、工業(yè)以及前沿科學(xué)研究等領(lǐng)域大放異彩。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，超短超強激光可以產(chǎn)生一些新的成像技術(shù)，并用于近視眼手術(shù)，其產(chǎn)生的高能量質(zhì)子束、高強度X射線可用于癌癥的早期診斷與治療。在工業(yè)領(lǐng)域，特殊材料的高精度加工，諸如手機屏幕的切割等都需要用到超快超強激光。
此外，放大后的強激光還可應(yīng)用于激光尾場加速（laser wake field acceleration，簡稱LWFA），能夠把粒子的能量加速到很高，甚至接近光速，也可以產(chǎn)生公里量級的等離子通道。
Q：國內(nèi)在該技術(shù)方面的進展如何？
魏志義：
國內(nèi)對于這項技術(shù)的應(yīng)用也比較早，取得了比較不錯的成果，已在國際上具有重要影響，比如中科院上海光機所、九院（中國工程物理研究院）、中科院物理所等。物理所曾在2011年實現(xiàn)了的1.16PW（1.16x1015W）峰值功率，是當(dāng)時國際同類研究最高。
作為他們的同行，我覺得Mourou和Strickland早就應(yīng)該拿到諾獎了，實際上他們已被提名多次，因此今年獲此殊榮，也在意料之中。該成果不僅給激光領(lǐng)域帶來深刻影響，也給核物理、光物理等領(lǐng)域的科學(xué)家提供了革命性的技術(shù)手段。
中國科學(xué)院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室主任冷雨欣：
1985年的時候，兩位教授發(fā)明了這項技術(shù)并在雜志上發(fā)表，當(dāng)時Donna Strickland教授還是Gérard Mourou教授的博士生。雖然文章發(fā)表的雜志影響因子不是很高，但該技術(shù)很先進。
這一工作發(fā)表沒多久，中科院上海光機所徐至展院士就敏銳的注意到這一項工作，開拓與發(fā)展了我國超強超短激光與強場物理領(lǐng)域及其重大應(yīng)用研究。
Gérard Mourou教授和Donna Strickland教授都曾經(jīng)來過中國。特別是Gérard Mourou教授，最近幾乎每年都來上海，對推動中國超強超短激光和強場激光物理的發(fā)展給予了很大的幫助。
中科院物理所研究員曹則賢：
激光領(lǐng)域是我國一直長期保持國際前沿水平的研究領(lǐng)域。激光是1960年發(fā)明的，據(jù)說我國1961年就研制成功了第一臺激光器。就布局而言，中國科學(xué)院在長春、西安、合肥和上海有四家專業(yè)的光學(xué)與精密機械研究所，中國科學(xué)院物理所以及九院等單位的超強、超短脈沖研究成果也處于世界前列。
北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授張志剛：
如果問和世界水平的差距的話，可以說差距不大。諾獎是給原創(chuàng)的，而我國的超短脈沖、超高功率激光器，技術(shù)上沒有很大創(chuàng)新，如果我們要獲諾獎，還需要從源頭上創(chuàng)新，而不是追求某些技術(shù)指標(biāo)。
Gérard Mourou教授訪問上海光機所
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