2018诺贝尔物理学奖揭晓：55年来首位女性获奖

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10月2日，诺贝尔物理学奖获奖名单出炉：获奖的是来自美法加的三位科学家。900万瑞典克朗奖金的一半将授予来自美国的亚瑟·阿什金，他研究的是光学镊子及其在生物系统中的应用。另一半则将授予法国的热拉尔·穆鲁和加拿大的唐娜·斯崔克兰，他们找到了生成高强度超短光脉冲的办法。



唐娜成为过去55年来首位获得诺贝尔物理学奖的女性，也是历史上第三位获得该奖的女科学家。她毕业于美国罗切斯特大学，是热拉尔·穆鲁的学生。20多年前，她与导师穆鲁一同发展出“啁啾调频脉冲放大”，因此闻名于世。

>>阿什金的“光之镊”

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亚瑟-阿什金自幼有个梦想：将光束作为工具，推动物体移动。在上世纪60年代的美剧《星际迷航》中，有一种光束可以在不触及物体--包括小行星--的情况下对其进行牵引。

达到以上的动能似乎有些超出想象，不过“光的能量”一直在我们身边，例如阳光。但由于阳光光束压力太小，除了热，我们没有任何挤压感。但是，这种压力是否足以推动极其微小的颗粒和原子呢？

答案是肯定的。越是微小的物体，就越容易被微小的力所撼动。例如，红血球、细菌一类人体细胞或者微生物等等都对光压非常敏感。来自光的微小压力可以让微小的物体在不受到积压破坏的前提下进行移动。

阿瑟-阿什金的“光学镊子”，就可通过激光束“手指”抓取颗粒、原子和分子，还能操纵病毒、细菌和其他活体细胞，并且在观察和操纵过程中不造成损伤。

光镊系统示意图，红色代表控制光路，蓝色代表照明光路，操纵室位于中间。我们知道激光的特性之一就是可以被汇聚到一个十分微小的光斑上，这是普通光源所无法实现的。对于所要操控的微小物体来说，这种激光束汇聚形成的强聚焦光斑会形成一个类似“陷阱”的机构（称为三维光学势阱），微粒将会被束缚在其中。

目前，光学镊子推动了无数实践应用的开发，使在不触碰研究对象的情况下，利用光学镊子对其进行观察、翻转、剪切、推动成为可能。如果数千个光学镊子同时发挥作用，可将健康细胞与感染细胞分离，这在对抗疟疾等疾病的过程中有广阔应用潜力。

>>热拉尔和唐娜的“啁啾脉冲放大”


激光的产生是通过光子的连锁反应，不断形成更多的光子。这些光子可以通过脉冲释放。在大约60年前激光发明之后，研究人员一直努力尝试制造出更高强度的脉冲。然而，到20世纪80年代中期，人们似乎到达了道路的终点。对于短脉冲而言，在不破坏放大材料的情况下，似乎已经不可能再增加激光的强度了。


热拉尔和唐娜新技术被称为“啁啾脉冲放大”（chirped pulse amplification， CPA），是一种既简单又精巧的技术。他们将短激光脉冲的时间延长，放大它又压缩它。当激光脉冲的时间延长时，它的峰值功率大大降低，因此可以在不破坏放大器的情况下显著放大。接着，激光脉冲的时间压缩，意味着更多的光集中在很小的空间内，从而使脉冲强度极大增强。


超短高强度脉冲具体有哪些用途呢？该技术早期曾用于微观摄影，在拍摄分子与原子时迅速照亮拍摄背景。这些过程速度极快，因此在很长一段时间里，科学家只能描述反应前和反应后的情况，无法描述反应过程。但有了飞秒级的激光脉冲（即1秒的1000万亿分之一），我们便可以观察到这些转瞬即逝的过程了。


激光强度极高，足以改变物体性质，如可以将电子绝缘体转变为导体。超精准激光束还能在各类材料上以极高的精度进行切割或钻孔，尤其是在生物活质上。


例如，激光可以用于打造更高效的数据存储，因为存储空间可以不仅限于材料表面，还可以深入存储介质内部、以微孔的形式存在。该技术还可用来制造外科手术支架（即能够扩张、加强血管的微米级金属圆柱体）、尿管和其它体内“通道”。


该技术的应用领域不计其数，但目前尚未得到完全发掘。每一项进展都能帮助研究人员打开新世界的大门，基础研究和实际应用都随之不断改变。