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專題：2018諾貝爾獎(jiǎng)

解讀稿：通往更加極端的光學(xué)之路：“用光制造的工具”獲諾獎(jiǎng)

新浪科技訊 北京時(shí)間10月2日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)剛剛揭曉！

2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予Arthur Ashkin、 Gérard Mourou 、Donna Strickland，由來(lái)自美國(guó)，法國(guó)和加拿大的三位科學(xué)家共同分享，表彰他們?cè)诩す馕锢硌芯款I(lǐng)域的突破性發(fā)明 ！瑞典皇家科學(xué)院將9百萬(wàn)瑞典克朗（約合695萬(wàn)人民幣）的獎(jiǎng)金一半授予美國(guó)科學(xué)家亞瑟·阿什金Arthur Ashkin，另一半將法國(guó)科學(xué)家吉拉德·毛羅Garard Mourou和加拿大科學(xué)家多娜·斯蒂克蘭德Donna Strickland一起分享。

亞瑟·阿什金Arthur Ashkin的獲獎(jiǎng)理由是“由于他所發(fā)明的光鑷及其在生物系統(tǒng)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用”，亞瑟·阿什金來(lái)自美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室；

另兩位科學(xué)家的獲獎(jiǎng)理由是“他們所開(kāi)創(chuàng)的高強(qiáng)度，超短波長(zhǎng)激光產(chǎn)生方法”，吉拉德·毛羅來(lái)自法國(guó)巴黎綜合理工大學(xué)，多娜·斯特克蘭德來(lái)自加拿大滑鐵盧大學(xué)；

值得一提的是，Donna Strickland是自2015年以來(lái)第一位獲得諾貝爾獎(jiǎng)的女性，她也是第三位獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的女性，第一位是1903年居里夫人。

今年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予激光物理學(xué)革命性發(fā)明。激光物理通過(guò)新的裝置可對(duì)非常小的物體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)難以置信的快速進(jìn)程，先進(jìn)的精密儀器正在開(kāi)辟未知研究領(lǐng)域，并應(yīng)用于工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域。

科幻已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。光鑷或光鉗使得我們可以利用光束作為工具，去進(jìn)行觀察，轉(zhuǎn)動(dòng)，切，推或者拉的動(dòng)作。在許多實(shí)驗(yàn)室中，光鉗被廣泛用于對(duì)生物過(guò)程的觀察，比如蛋白質(zhì)，分子馬達(dá)，DNA或者細(xì)胞內(nèi)部活動(dòng)。

由光制成的工具

今年的獲獎(jiǎng)成就在激光物理領(lǐng)域產(chǎn)生了一場(chǎng)革命，我們現(xiàn)在可以用嶄新的方法對(duì)極端微小的物體和超高速過(guò)程進(jìn)行觀察。先進(jìn)的精細(xì)設(shè)備正在打開(kāi)嶄新的研究領(lǐng)域，并具有廣闊的工業(yè)與醫(yī)學(xué)應(yīng)用前景。

亞瑟·阿什金發(fā)明的光鑷使用激光光束來(lái)抓取粒子，原子以及分子。這種嶄新的工具使阿什金得以講一個(gè)古老的科幻夢(mèng)想變成現(xiàn)實(shí)，那就是利用光的輻射壓強(qiáng)去移動(dòng)物理對(duì)象。他成功地操控激光束，使其接近光束的中心并在那里被囚禁住。這就是光鑷。

一項(xiàng)關(guān)鍵性的突破出現(xiàn)在1987年，當(dāng)時(shí)阿什金使用光鑷在不對(duì)其造成傷害的情況下捕獲了活體的細(xì)菌，隨后他立即開(kāi)始著手對(duì)生物系統(tǒng)的研究。今天，他發(fā)明的光鑷技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于對(duì)生命機(jī)制的探索。

吉拉德·毛羅和多娜·斯蒂克蘭德所做的工作為產(chǎn)生人類有史以來(lái)波長(zhǎng)最短，能量最高的激光鋪平了道路。他們的那篇開(kāi)創(chuàng)性論文發(fā)表于1985年，這也是多娜·斯蒂克蘭德博士論文的基礎(chǔ)。

借助一種巧妙的方法，他們成功地在不損壞放大材料的基礎(chǔ)上創(chuàng)造出超短波長(zhǎng)，超高強(qiáng)度的激光。他們首先將激光波束在時(shí)間上拉伸，以便削弱其峰值強(qiáng)度，隨后對(duì)其進(jìn)行放大，最后再對(duì)其進(jìn)行壓縮。如果一段波束在時(shí)間上被壓縮，變得波長(zhǎng)更短，那么將會(huì)有更多的光被壓縮到一個(gè)極小的空間內(nèi)，此時(shí)該波束的強(qiáng)度就將急劇上升。

吉拉德·毛羅和多娜·斯蒂克蘭德的這項(xiàng)新技術(shù)被稱作“啁啾脈沖放大”（CPA），并很快被推廣并成為產(chǎn)生超強(qiáng)激光束的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。每年在全球各地開(kāi)展的數(shù)百萬(wàn)例眼科激光手術(shù)中，就應(yīng)用到了這項(xiàng)技術(shù)。

這些技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值還尚未得到充分的探索。但是即便是在現(xiàn)在，這些技術(shù)的結(jié)合已經(jīng)可以讓我們?cè)谖⒂^世界里到處探尋，并時(shí)刻銘記諾貝爾獎(jiǎng)創(chuàng)建者諾貝爾先生的遺志：為了全人類的福祉。

去年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予三位美國(guó)科學(xué)家，他們使用深?yuàn)W理論和巧妙裝置探測(cè)宇宙引力波。

獲獎(jiǎng)人：

唐納·斯特里克蘭（Donna Strickland），來(lái)自加拿大滑鐵盧大學(xué)的國(guó)際著名光學(xué)專家、啁啾脈沖放大技術(shù)（Chirped Pulse Amplification， 簡(jiǎn)稱CPA技術(shù)）發(fā)明者之一。她曾是加拿大國(guó)家研究中心的研究助理，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家和普林斯頓大學(xué)技術(shù)委員會(huì)委員。唐納·斯特里克蘭教授于1997年進(jìn)入加拿大滑鐵盧大學(xué)物理系，她曾獲得過(guò)隆研究學(xué)者獎(jiǎng)、科特雷爾學(xué)者獎(jiǎng)和***杰出研究獎(jiǎng)，她現(xiàn)在是美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)的會(huì)士并曾于2013年度擔(dān)任美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)主席。

“我們必須為女性物理學(xué)家們歡呼，因?yàn)樗齻兙驮谀抢铩Ｎ液茯湴廖沂撬齻冎械囊粏T。”——多娜·斯蒂克蘭

多娜·斯蒂克蘭今天的獲獎(jiǎng)，使其成為繼瑪麗·居里（居里夫人，1903）以及瑪利亞·梅耶（梅耶夫人，1963）之后，歷史上第三位獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的女性科學(xué)家。

亞瑟·阿什金Arthur Ashkin，出生于1922年9月2日，是美國(guó)科學(xué)家和諾貝爾獎(jiǎng)得主，他曾在貝爾實(shí)驗(yàn)室和朗訊科技公司工作過(guò)。20世紀(jì)60年代后期，他開(kāi)始使用激光操控微粒，1986年發(fā)明了光學(xué)鑷子。同時(shí)，他還開(kāi)創(chuàng)性研制光學(xué)捕獲過(guò)程，最終用于操控原子、分子和生物細(xì)胞。該過(guò)程的關(guān)鍵在于光的輻射壓力，該壓力可以分解為光學(xué)梯度和散射力。阿什金被許多人認(rèn)為是“光學(xué)鑷子研究領(lǐng)域之父”。

1992年，阿什金從貝爾實(shí)驗(yàn)室退休，在他40年的職業(yè)生涯中，他參與了許多實(shí)驗(yàn)物理學(xué)領(lǐng)域的研究。多年以來(lái)，他撰寫(xiě)了許多研究論文，擁有47項(xiàng)專利。2003年，他被授予約瑟夫·吉時(shí)利測(cè)量科學(xué)進(jìn)步獎(jiǎng)；2004年，他被授予哈維獎(jiǎng)。1984年，他被選入美國(guó)國(guó)家工程學(xué)院，1996年，他被選入美國(guó)國(guó)家科學(xué)院。目前，他繼續(xù)在自己的家庭實(shí)驗(yàn)室工作。

吉拉德·毛羅（Gérard Albert Mourou）出生于1944年，他是一位法國(guó)科學(xué)家，也是電氣工程、激光領(lǐng)域的先驅(qū)者。他和唐娜·斯特里克蘭（Donna Strickland）共同發(fā)明了一種“脈沖放大技術(shù)（CPA）”。之后該技術(shù)被用于制造超強(qiáng)度脈沖、超高強(qiáng)度（萬(wàn)兆瓦等級(jí)）的激光脈沖。

1994年，毛隆和密歇根大學(xué)研究小組通過(guò)電離和稀疏空氣中萬(wàn)兆瓦等級(jí)激光束，可以發(fā)現(xiàn)自聚焦折射和自衰減衍射之間的平衡。

2015年11月23日，毛隆出席了羅馬尼亞首都布加勒斯特第三屆圣誕講座，他的報(bào)告主題是——“突破未知：極端光線，從科學(xué)到藝術(shù)。”

以下是關(guān)于諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一些趣事：

1、從1901年到2017年，物理學(xué)獎(jiǎng)一共頒發(fā)111次。其中，有47次授予一名科學(xué)家，32次由兩名科學(xué)家分享，32次由三名科學(xué)家分享。

2、共有207人次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，其中美國(guó)物理學(xué)家約翰·巴丁在1956年和1972年兩次摘走物理學(xué)獎(jiǎng)桂冠，因此實(shí)際獲獎(jiǎng)科學(xué)家為206名。

3、截至2017年，只有兩名女性科學(xué)家獲得物理學(xué)獎(jiǎng)。最近一次是在1963年，德裔美國(guó)女物理學(xué)家瑪麗亞·格佩特-梅耶因發(fā)展了解釋原子核結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型獲得物理學(xué)獎(jiǎng)。

4、歷屆物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)攉@獎(jiǎng)時(shí)的平均年齡是55歲。最年輕的得主是英國(guó)物理學(xué)家勞倫斯·布拉格，他因X射線晶體結(jié)構(gòu)的研究于1915年獲獎(jiǎng)，當(dāng)時(shí)才25歲；最年長(zhǎng)的是美國(guó)科學(xué)家雷蒙德·戴維斯，他2002年獲獎(jiǎng)時(shí)已88歲高齡。

5、在物理學(xué)獎(jiǎng)的歷史上，曾有1對(duì)“夫妻檔”同時(shí)獲獎(jiǎng)。居里夫婦的故事人們?cè)缫讯炷茉敚驅(qū)Ψ派湫晕镔|(zhì)的研究，皮埃爾·居里、瑪麗·居里夫婦一同獲得1903年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。有意思的是，居里夫婦的女兒伊雷娜·約里奧—居里與丈夫弗雷德里奧·約里奧共同獲得過(guò)1935年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

6、在物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)咧校€有4對(duì)“父子檔”，其中威廉·布拉格與勞倫斯·布拉格于1915年同時(shí)獲獎(jiǎng)，其他三對(duì)父子不是同年獲獎(jiǎng)。