物理

2018诺贝尔物理学奖:从科幻照进现实的激光 | 直击诺奖

环球科技观光团 发表于  2018-10-02 21:37

今年被授予诺奖的发明彻底改变了激光物理学,让极小的物体与极快的过程以全新的方式出现。不止是物理学,化学、生物学与医学都因该发明而获得了可用于基础研究和实际应用的精密仪器。

阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)发明了光学镊子,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理时不被损坏。阿什金的光学镊子为观察和控制生命的机器创造了全新的机会。

杰哈·莫罗(Gérard Mourou)与多娜·斯崔克兰(Donna Strickland)为人类创造的最短、最强的激光脉冲打下了基础。他们开发的技术开辟了新的研究领域,并带来了广泛的工业和医疗应用。例如,每年有无数次的眼睛手术是由最锋利的激光束完成的。

旅行于光线之中

阿瑟·阿什金有一个梦想:如果光束可以用来干活、移动物体,那有多好。20世纪60年代开播的《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。当然,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——在阳光下我们会感到热——只是光束的压力非常小,连一丝推力都感觉不到。但它的力量是否足以推动极小的粒子和原子呢?

图 |《星际迷航》

1960年第一台激光器发明后,阿什金立即开始用这个新机器在纽约城外的贝尔实验室进行实验。在激光中,光波相干地向前传播;而在普通的白光中,光束混合了彩虹的所有颜色,并在每个方向上散射。

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,果然,立即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间——那里光强度最大。为什么呢?不管一束激光多么细锐,它的强度总是会由中心向边缘逐渐减弱。因此,激光给粒子的辐射压也会发生变化,将粒子推向光束中间,并把它们维持在中心位置。

为了将粒子保持在光束方向上,阿什金又增加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。一个光陷阱诞生了。后来人们称它为光学镊子

阿什金造出的光阱

用光捕获活细菌

在多年努力和屡次失败后,光陷阱终于可以捕获单个原子了。这期间曾有过许多困难,其一就是光镊必须足够有力才能捕获原子;其二就是原子的热振动。所以必须找到一种方法,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,一切都准备就绪了: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。

随着原子减速发展成独立研究领域,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。他的发现其实算得上是机遇巧合。他曾经试着用光镊捕获一些更小的粒子,使用的样品是小的花叶病毒。在他碰巧把样品敞着放了一整夜之后,样品上布满了四处乱跑的大粒子。阿什金用显微镜观察到,这些粒子其实是一些无法自由游动的细菌——当它们靠近激光束的时候,被光阱所捕获了。不过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,并且还可以在光阱里继续繁殖。

据此,阿什金的研究接下来集中在多种不同的细菌、病毒和其他活细胞中。他甚至证明,可以在不破坏细胞膜的情况下碰触到细胞内。阿什金以他的光学镊子开启了一整套全新的应用领域。这个技术带来的一项重要的突破是,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重要的作用。第一个利用光镊详细描绘的马达蛋白叫“驱动蛋白”,研究者发现它会沿着细胞骨架的一部分——微管——一步一步地移动。

分子马达在光阱中前进

从科幻到实际应用

过去几年里,许多其他研究者受到阿什金的启发,使用了他的方法并把它进一步完善。如今,光学镊子推动的应用不计其数,它们能让研究人员不接触到研究对象,就观测、翻转、切割和推拉实验物体。在许多实验室中,光学镊子因此成为标准设备,用来研究生物过程,如单个蛋白、分子马达、DNA或细胞内部的运作。光学全息术便是最近的进展之一,这种技术允许上千镊子同时工作,例如从感染细胞中分离健康的血细胞,而这可以广泛应用于对抗疟疾的研究中。

阿什金始终惊叹于他的工具取得的进展。另外两位获奖者的发明——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技术

这项技术的灵感来自于一篇科普,文章里描述了雷达和它的长无线电波。不过,不论是从理论还是实际操作上,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·斯崔克兰发表了自己的第一篇科学论文,在其中描述了这个突破性的概念。当时她从加拿大搬到了美国罗切斯特大学,在这里她开始对激光物理感兴趣;这不仅是因为那些将实验室点亮得如同圣诞树一般的绿色和红色光束,也是因为她的导师杰哈•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应创造出来的——这个过程中,光子生成了更多的光子。它们能以脉冲的形式发射出来。自从约60年前激光被发明开始,研究者们就试图创造出更强的脉冲。然而,到了80年代中期,这条道路似乎走到了尽头。对于短脉冲而言,再增加光强,就会把放大材料给烧毁了。

 斯崔克兰和莫罗的新技术,啁啾(zhōu jiū)脉冲放大技术(CPA),既简单又优雅。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前提下放大到更高的倍数。之后把脉冲重新压缩,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。大家可以感受一下 | ligo.org

斯崔克兰和莫罗花了好几年的时间才将各个步骤成功组合起来。和大多数项目一样,实践和概念上的大量细节给研究带来了很多困难。例如,他们用新到手的一根2.5千米的光纤延展了脉冲,但是另一端却没有光出来——光纤在中间哪里断掉了。他们费了很大力气,最终只好勉强使用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设备间步调一致: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明了他们两人优雅的理论也能在实践中生效。

啁啾脉冲放大技术(CPA)

斯崔克兰和莫罗发明的CPA技术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标准技术,并开启了物理、化学和医学中新领域和新应用的大门。如今,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。

世界上最快的摄影机

如何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进行快速照相。在瞬息万变的微观世界里,事情发生得如此之快,以至于很长一段时间里人们只能描述事件之前和之后的场景。但运用短至飞秒级别——也就是十亿分之一秒长的脉冲,曾经仿佛瞬间发生的事情也能看见了。

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质的工具:绝缘体会转变成导体;而极其锋利的激光束使在不同材料上极其精细地切割或钻孔成为可能——甚至是在活的生物里。

比如,激光可被用作更高效的数据储存,这样数据不仅存储在材料表面,还可以存储在材料内部深挖的小孔里。这种技术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进行扩张和加固。

还有数不清的使用领域还未被完全探索。每一次技术进步都使研究者得以深入探索新世界,改变着基础研究和实际应用。

脉冲越快,就能观察到越快的瞬间

近几年新出现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揭示了电子的神奇世界。电子是化学的主力;它们负责所有物质的光学和电学属性,还负责化学键间的相互作用。现在它们不但可以被观察到,还能被控制。

迈向更激烈的光

这些新的激光技术将会很快应用于更多场合:更快的电子元件,更高效的太阳能电池,更好的催化剂,更加强有力的粒子加速器,新能源,还有定制药品。难怪激光物理是如此充满竞争的领域。

多娜·斯崔克兰目前在加拿大继续她的研究工作,杰哈·莫罗回到法国参与泛欧激光计划与其他项目。他发起并领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场地。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

这几个不同的地方将会专注于不同的领域——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、美国和俄罗斯正在筹划更新更强大的设施。

人们已经在设想下一步的进展:功率会提高10倍,达到100拍瓦。激光技术的未来发展不会止步于此:为什么不会是泽瓦(10^21瓦)的功率,或者脉冲降到仄秒(微小到近乎不可思议的时间片段——10^-21 秒)呢?新的疆域正在不断被开拓——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品。然而,即便是现在,这些重大的发明已经可以让我们可以在微观世界细致探索了,这也正是阿尔弗雷德•诺贝尔的精神所在——为全人类做出重大贡献。

编译来源:

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

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全部评论(14)
  • 1楼
    2018-10-02 22:53 qufuliao

    神奇的技术

    [0] 评论
  • 2楼
    2018-10-03 09:46 己巳.庚午

    问一下,光压梯度力是怎么把粒子推到光束中心位置的?单束光压没有偏斜于光束中心的角度,怎么会把粒子推到中心,哎嘛,百思不得骑姐😂

    [0] 评论
  • 3楼
    2018-10-03 11:16 天降龙虾

    光阱捕获技术,俺在上小学时好像就听说过,没想到今年获奖了。。。

    [1] 评论
  • 4楼
    2018-10-03 14:49 汉尼拔wang

    离实现激光牵引越来越近了~

    [0] 评论
  • 5楼
    2018-10-04 10:12 地球上的裸猿

    应用非常的广泛。
    ————
    这些新的激光技术将会很快应用于更多场合:更快的电子元件,更高效的太阳能电池,更好的催化剂,更加强有力的粒子加速器,新能源,还有定制药品。难怪激光物理是如此充满竞争的领域。

    [1] 评论
  • 6楼
    2018-10-07 14:40 哀莫大于

    沙发

    [0] 评论
  • 7楼
    2018-10-10 20:31 死翘翘
    引用@己巳.庚午 的话:问一下,光压梯度力是怎么把粒子推到光束中心位置的?单束光压没有偏斜于光束中心的角度,怎么会把粒子推到

    为什么用吹风机吹乒乓球,球能够悬浮在气流中心不会掉下来呢

    [1] 评论
  • 8楼
    2018-10-12 14:39 企鹅骑士队长
    引用@死翘翘 的话:为什么用吹风机吹乒乓球,球能够悬浮在气流中心不会掉下来呢

    流速快的位置压强低。

    [0] 评论
  • 9楼
    2018-10-12 23:27 西泽.贝叶斯
    引用@企鹅骑士队长 的话:流速快的位置压强低。
    引用@死翘翘 的话:为什么用吹风机吹乒乓球,球能够悬浮在气流中心不会掉下来呢
    引用@己巳.庚午 的话:问一下,光压梯度力是怎么把粒子推到光束中心位置的?单束光压没有偏斜于光束中心的角度,怎么会把粒子推到中心,哎嘛,百思不得骑姐😂


    但是只要在同种介质中,所有光子的速度都是一样的,不存在“流速”大小之分。再者,在单个光子频率不变的条件下,光波的强度正比于光波中的光子密度,所以,越是靠近激光束的中心,光子密度会越大,“压强”应该越高才是。

    实际上,“梯度力”来源于粒子中的电偶极矩(极性分子本身就是电偶极矩,若为非极性分子,则会被外加电场诱导出电偶极矩)在不均匀电磁场中受到的力。在电场(光波中的磁感应强度远小于电场强度)中,粒子中电偶极矩方向会转动至与电场方向相同。如果此时电场为不均匀场,则电偶极矩的正负电荷中心所受的电场力不再等大反向,这就使得粒子整体受到的合力不为零,且合力方向始终指向强场区。于是,粒子就被这个合力牵至光束中心(电场强度最大的地方)

    [2] 评论
  • 10楼
    2018-10-21 06:17 加壳生活

    如果我按到获奖电话,肯定是骗子。

    [0] 评论
  • 11楼
    2018-11-02 19:31 悦神

    光学镊子为人类带来了福音,为给世界的研究领域带来了便利,看这篇文章,首先不得不感叹一下创始人思想的伟大,但是在崇拜的同时,我们更应该想到的是如何让光学镊子为人类造福造利,艾滋病的传播是因为HIV病毒不断繁殖导致人们免疫力下降,增大了其患病的几率,才会有很多人相继逝去,那么我们不妨可以大胆假设一下,可不可以利用光学镊子来制止艾滋病病毒的传播,比如说把它从人体里弄出来,让它失去宿主,进而死亡?

    [2] 评论
  • 12楼
    2018-12-20 10:12 回马枪

    [blockquote]引用@悦神 的话: 光学镊子为人类带来了福音,为给世界的研究领域带来了便利,看这篇文章,首先不得不感叹一下创始人思想的伟大,但是在崇拜的同时,我们更应该想到的是如何让光学镊子为人类造福造利,艾滋病的传播是因为HIV病毒不…[/blockquote] 如果可以先把病毒在体内预先聚集起来,做好保护措施(防止聚集起来的大量病毒对人体造成过大损伤)之后再取出来,一次打包解决,没准就可以避免像用筷子夹散落在地上的黄豆一样夹出病毒的繁琐步骤了

    [1] 评论
  • 13楼
    2018-12-20 10:16 回马枪

    [blockquote]引用@西泽.贝叶斯 的话: 但是只要在同种介质中,所有光子的速度都是一样的,不存在“流速”大小之分。再者,在单个光子频率不变的条件下,光波的强度正比于光波中的光子密度,所以,越是靠近激光束的中心,光子密度会越大,“压强”应该越高…[/blockquote] 请问一下你是怎么引用多段对话的呀(我这边回复别人就是合并起来的一大段,被回复的内容没有变成灰色颜色标识也没有和我的回复内容分隔开来)🐵还有字体加粗……是不是咱们版本不一样哇

    [0] 评论
  • 14楼
    2018-12-22 15:35 htam

    吹风机也好,大场强也好,内容黑体字也好,,,钞票满天飞的年代各位依然甘为莘莘学子真令人敬佩,,,四维空间表述版X4 理论已经去了欧洲,htam9876本人依然被那个地方上的小商人永康困住势阱内死翘翘。

    老猪去到什么山头随便找个什么姐就是。我觉得这是光子有质量的表现。

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