温柔而强悍的物理之光精准“照亮”世界 2018诺贝尔物理学奖授予3位激光科学家

图说：激光物理科学家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）、家杰哈•莫罗和唐娜·斯特里克兰 来源/诺贝尔奖官网

　　北京时间10月2日下午5时52分，2018年诺贝尔物理学奖揭晓。美国科学家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）、法国科学家杰哈•莫罗（Gerard Mourou）和加拿大科学家唐娜·斯特里克兰（Donna Stricklan）因“激光物理学领域的开创性发明”而获得殊荣分享奖金。3位科学家的研究为激光物理学带来变革性进展，使人类获得探究从微观世界到遥远宇宙的全新视域和手段，也带来了物理学、化学、生物学、医学等多个领域基础和应用的发展。

图说：激光 来源/瑞典皇家科学会官网

　　神奇的光之镊子

　　昨天的发布会推迟了5分钟，原因是会前诺贝尔奖颁奖委员会在致电阿瑟·阿什金时遭到了电话采访的拒绝。这位已经96岁的科学家婉拒理由是“正忙着写激光论文”。阿什金教授被称作“光学捕获”之父，曾在贝尔实验室工作40年，此次获奖正是由于他发明的“光学镊子”及其在生物系统中的应用。

　　随着现代光学显微技术的迅速发展，“看得见”已越来越不成问题，超分辨荧光显微成像技术的分辨率已达到纳米级别。然而，对于微观尺度的科学研究来说，除了“看得见”，还需“摸得着”。中国科学院西安光学精密机械研究所研究员姚保利，将“光镊”形容为那只“摸得着”微观粒子的“手”。

　　今天，光镊推动的应用已经不计其数，它能够像镊子一样“隔空”完成观测、翻转、切割和推拉，被科学家用来研究蛋白、DNA、细胞的内部运作等生物过程。物理学家朱棣文就是因为用“光镊”抓住了原子而获得诺贝尔奖。衍生而出的光学全息术等于上千镊子同时工作，可以在抗疟疾研究中从感染细胞中分离健康的血细胞等。

　　这把“光镊”源于上世纪60年代阿什金的好奇心——光很暖，它有“力气”抓住或控制物体吗？阿什金从光彩虹般的散射中意识到，激光是用光束移动微观粒子的理想工具。他通过照亮微米尺寸的透明球体，小球神奇地移动并集中到光束中间。于是他成为第一个观察到原子上的光学梯度力、第一个对原子进行激光冷却、也是第一个观察原子光学俘获的人。他还将这项工作扩展到了捕获和操纵细菌、病毒和细胞等生物材料，这些方法探索细胞内部，操纵其内部结构，为理解人体正常和患病状态的新方法奠定基础。

　　让激光变得更强

　　除了利用激光“操控”物质，让激光变得“超强”也一直是科学家们努力的方向。然而，在通向超强激光的路上并不是一帆风顺的，研究者们很早就发现，对短脉冲而言，光强的增加是有限度的，因为当光强强到一定程度时，就会破坏放大介质，原有的放大方法遇到了瓶颈。“上世纪80年代，斯特里克兰和莫罗发明了啁啾脉冲放大技术（CPA），这种方法是将短脉冲激光像弹簧一样前后拉伸，使得脉宽大大增加，峰值功率因而大大下降，在此基础上进一步放大激光能量，不会损伤放大介质，而后再将激光脉冲压缩回去，可以让光的强度提高很多量级，产生短而强的脉冲。”上海交通大学激光等离子体实验室陈民教授解释，“利用这种超短脉冲激光与物质相互作用，可以瞬间离化物质形成等离子体，开辟新的研究前沿，由此推动物理学的发展。”CPA技术不仅为强激光发展奠定了基础，也开启了物理、化学和医学中多个研究领域和应用的大门。就像人类的双手和眼睛一样，超短脉冲强激光一方面为人类认知极端世界提供了新的手段，可以在实验室里对宇宙探究，也可以让人类 “看见”飞秒甚至阿秒时间尺度内发生的过程。

　　两位获奖人都与中国科研团队屡有交集，和上海缘分不浅。师徒两人曾多次来中国科学院上海光机所发表学术演讲、参与学术会议。莫罗还是中科院爱因斯坦讲席教授，参与我国“极端光物理线站（SEL）100拍瓦激光研制计划”的论证。莫罗的团队和上海交通大学激光等离子体团队几年前就开展国际合作，有许多联合署名的论文发表。更重要的是，建设中的科创“国之重器”——上海超强超短激光装置（SULF），便是建立在这两位“新科”诺奖得主提出的CPA技术原理基础上的。

　　斯特里克兰是历史上第三位获得诺贝尔物理学家的女性，她的获奖也让大家将目光投向在物理学领域辛勤耕耘、贡献智慧的女性研究者。莫罗更是特别，同行眼中这位法国科学家非常“酷”。物理圈流传着一则超强激光计划的科普视频，莫罗团队倾情演绎，莫罗更是穿上实验服戴上炫酷的激光护目镜在歌声中摇摆轻舞。

图说：科学家们戴上炫酷的激光护目镜在歌声中摇摆轻舞

　　更闪亮的未来

　　科学家们普遍认为，超强激光光源研究正处于取得重大科技突破和开拓重大应用的前夜，国际竞争异常激烈，未来在捷克、匈牙利和罗马尼亚将建成三个极端强场物理研究平台，建造多台峰值功率达到数拍瓦（10^15瓦）的激光设施。但这也是我国科学家有望取得重大突破并跻身国际最前列的前沿科技领域。

　　早在2015年，以“超强激光光源及其前沿应用”为主题的香山科学会议在上海举行。超强超短激光和强场物理领域包括杰哈•莫罗在内的多位著名国际同行学者参加会议。莫罗等与会专家充分肯定了建设10拍瓦乃至更高量级的超强激光光源的意义，并表示中国在超强激光装置的研制方面有很好的基础和特色，中国科学家有望在这一前沿科技领域取得重大突破。

　　上海没有辜负国际激光科学界的期望。2016年8月，SULF成功实现5拍瓦激光脉冲输出，达到当时国际领先水平！2017年2月，国际权威学术期刊《科学》（Science）的评述文章引述莫罗教授的评语“中国科学家打破了最高激光脉冲峰值功率的世界纪录”。2017年10月，SULF装置继而成功实现了10拍瓦激光放大输出，达到国际同类研究的领先水平，是目前国际最高激光脉冲峰值功率。

　　2017年7月，又一次激光界的重要会议——SEL国际专家论证会在上海召开。极端光物理线站（SEL）100拍瓦激光研制计划，是“十三五”国家重大科技基础设施项目“硬X射线自由电子激光装置”的组成部分。由杰哈•莫罗等10余位国际著名学者组成的专家组经过论证，对这项雄心勃勃的科研计划与实施方案给予高度认可，认为该装置可开展真空QED现象探测、黑洞物理模拟等诸多新物理研究，将带来众多科学发现机会，同时还将极大拓展硬X射线自由电子激光装置的研究领域。

　　上海交大也正酝酿在李政道研究所建设15拍瓦（10^16瓦）强激光装置。这些装置的建成，将更进一步提升人类对极端物质世界的认知水平。“上海交大张杰院士领导的强场激光物理团队正在基于该类激光装置开展多项工作：比如研制有望比传统加速器小1000倍的超小型低造价激光加速器和辐射源；在实验室利用强激光等离子体作用模拟天体现象；此外，探索利用该类激光装置研究新型聚变途径，为解决人类终极能源问题而努力等等。”陈民说。

　　这支团队近期获得了2018年度香港求是基金会颁发的杰出科技成就集体奖，以表彰他们在本领域的贡献：他们在CPA技术基础之上，进一步提出并验证了准参量放大（QPCPA）的创新性概念，突破了制约超短超强激光极限放大能力的世界性瓶颈难题，研制出超高动态范围的超短超强激光单次信噪比测量仪，超过国际报道最好指标的4个数量级，并被成功应用于我国国防重大专项工程。该团队还利用极强激光脉冲与特殊构型靶相互作用，在实验室创造出类似于天体环境下的高能量密度物质状态，以便深入理解重要的天体物理现象和过程，已经完成的研究有助于了解空间气候对人类生产生活的影响。激光强场物理团队在新型等离子体加速和高强度超快辐射研究方面也取得了重要进展，提出的电离注入机制突破国际激光加速应用和发展瓶颈，极大提高了加速电子束的品质和稳定性。

　　将来，超短超强激光将进一步推动人类对真空的认识，也许在不久的将来就可以实现无中生有，利用强激光在真空里产生出物质。

　　新民晚报记者 易蓉