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別開生面的2018年諾貝爾物理獎 精選

已有 3659 次閱讀 2019-10-27 07:45 |個人分類:學海無涯|系統分類:科普集錦

 2018年的諾貝爾物理學獎發給了美國的阿斯金(Arthur Ashkin),法國的毛羅(Garard Mourou)和加拿大的斯蒂柯蘭德(Donna Strickland),表彰他們在激光技術方面做出的貢獻。激光領域的工作得獎已經有很多次了。但是這個獎卻有不少特別的地方。

通常我們說起激光,其最重要的特點就是高度的單色性和平行性。而這次得獎的兩個工作,利用的卻是多頻率和多方向的激光。而且這兩個工作的價值不是關于激光原理,而是將激光用作科學研究的工具。

2018年物理獎表彰了兩個工作。一個是阿斯金的“光學鑷子”工作。我們在中學物理中都學過,光線在進入和離開介質時會發生折射和反射。在量子層次上說,那就是光子在介質的作用下發生偏轉。按照牛頓第三定律,這時候介質也會受到一個反作用力,稱為光壓。雖然在日常生活中光壓通常非常微小可以忽略不計,但當微米級的小球在強力激光照射下時,它受到的光壓可以輕松抵消重力。(其實在更大的尺度上光壓也有表現。彗星的尾巴就是光壓的結果。人們也設想建造巨大的“光帆”來收集來自太陽的光壓作為宇宙航行的動力。)

反射引起的光壓是把介質球推向光的傳播方向。而折射引起的光壓的結果是把介質球推向光場更強的地方。所以如果有一個光場分布是中間強,邊緣弱,那介質球就可以穩定地停留在光場中心了。阿斯金的工作就是利用這個性質,用透鏡把激光聚焦形成一個“光學鑷子”,把微小物體“鉗”在焦點并可以隨著光束移動。阿金斯并利用這個工具開創了很多生物研究的技術。他可以把細胞或細菌連接在小玻璃球上,用光學鑷子帶著它旅行。他也可以用光學鑷子來帶動DNA片段在細胞體內移動。阿金斯的同事朱棣文(Steven Chu,現為斯坦福大學教授)獲得1997年諾貝爾獎的工作“原子陷阱”也是基于阿金斯的光學鑷子。

如果說阿金斯的工作關鍵是用激光造成高度不均勻的光場分布,那另一個得獎工作 ——毛羅和斯蒂柯蘭德的“超高功率激光”就是利用超短激光脈沖的非單色性了。

超高功率的激光是非常有用的研究工具,因為它能造成多種非線性的光學現象,也能為物理過程提供超大能量(如觸發核聚變反應)。提高激光功率的辦法是制造超短(飛秒級,甚至更短)的脈沖,這樣把能量集中到很短的時間里,功率自然就高了。但問題是制造出超短脈沖后還需要進一步放大。但那時候的功率太高了,會燒毀放大材料。所以放大材料的能力限制了最后的輸出功率。斯蒂柯蘭德在跟從毛羅在美國的羅切斯特大學做博士研究時,領到的任務就是設法解決這個難題。

按照傅立葉分析原理,超短的脈沖必然具有很大的頻寬。也就是說那時候的激光不是單一波長,而是由很多波長組成的。這些波長的光按照一定的相位關系相加,就成了超短脈沖。但如果改變這個相位關系,那個脈沖就會被“拉長”,功率也會降低。斯蒂柯蘭德和毛羅就根據這個原理,用具有色散性能的光纖來“拉長”超短脈沖。在這種光纖中,不同波長的光傳播速度略有不同,所以它們到達終點的時間也不同,這樣脈沖就散開了。把脈沖“拉長”后就可以輕松放大,然后用一個光柵來糾正色散,恢復原來的相位關系。這樣,被放大后的超短脈沖就誕生了。后來他們進一步用光柵代替了光纖,使得結果更可控,性能也更好。自從他們八十年代中期發明這個技術之后,激光功率如半導體工業中的“摩爾定律”那樣一直穩步指數增加,現在已經提高了十個數量級。不用說,相關的物理研究也是如虎添翼了。

這兩個工作原理上都不復雜高深,但都是“跳出盒子”式的創新,因為它們都不是利用激光的公認優點:平行性和單色性。(當然也只有從平行和單色出發,才能制造出這些工作需要的精密聚焦和超短脈沖。)這些工作的價值不在于對物理原理理解的加深,而在于為科學研究提供了非常有用的工具。

除了具體的得獎工作外,2018年物理獎還有一些獨特的地方。得獎者之一斯蒂柯蘭德是歷史上繼居里夫人(1903,她也是第一位得諾貝爾獎的女性)和吉奧普-梅耶(1963)后的第三位得物理學獎的女性。另一個傳奇是:她的得獎工作發表在一篇只有三頁長的論文中,而那是那位26歲的研究生的第一篇論文。另一位得獎者阿斯金是當時歷史上年紀最大的得獎者(96歲),但這個記錄在2019年被化學獎得主古德依那夫(97歲)打破。

另外,阿金斯是貝爾實驗室的第九位諾貝爾獎得主。他在1992年從貝爾實驗室退休,但仍在家里的實驗室從事研究。阿金斯得獎后,貝爾實驗室(現在被諾基亞公司擁有)總裁還發表文章,宣傳貝爾實驗室“既重視產品又重視人文進步”,作為一個工業實驗室卻產生很多一流科學工作。其實至今所有貝爾實驗室的得獎工作都是在八十年代初AT&T解體之前或之后不久做出的。從那以后,貝爾實驗室迫于商業競爭壓力,在基礎研究方面的投入和產出都斷崖式下降。現在已經不能想象他們會做出諾貝爾級工作(除非有特別好的運氣)。所以,2018年的物理獎也可以算是對貝爾實驗室那個黃金年代的一個紀念吧。

 




諾貝爾情結
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