科學也可以如此靠近

諾獎得主是個愛開跑車的拉風漢子?你所不知道的諾貝爾物理學獎

10月
02
2018

2018年10月02日19時 今日科學 上觀新聞

上觀新聞

你知道彗星的尾巴,朝向哪個方向嗎?

你知道這次諾獎得主之一,是個喜歡圍著紅圍巾開跑車的拉風漢子嗎?

帶著這些問題,我們走近今年諾貝爾物理學獎的獲獎成果——美國物理學家阿瑟· 阿斯金(Arthur Ashkin)、法國物理學家熱拉爾·穆魯(Gérard Mourou)及加拿大物理學家唐納·斯特里克蘭(Donna Strickland)三位,在雷射物理領域的突破性貢獻。

彗星尾巴和鳥鳴

「這是上世紀九十年代以來,諾貝爾物理學獎第五次頒給了光學研究成果,」上海大學理學院副院長,量子光學專業陳璽教授統計。光鑷和啁啾脈衝放大兩項研究,分享了今年的諾貝爾物理學獎。

此次獲獎名單上的第一位獲得者阿瑟·

阿斯金,是提出光鑷理論的第一人。看得見摸不著的光,也能成為「鑷子」嗎?物理學系吳賽駿教授的答案是肯定的,因為光有「光力」。他以彗星為例,彗星大部分由非常稀薄的氣體構成由非常稀薄的氣體構成,而太陽光的散射將氣體分子推向其照射的方向,因此在軌道上飛行的彗星,其彗尾的反方向總是指向太陽,這是光力的觀察實證之一:光是有力量的。物理學上,更專業的表達是光子是有動量的。

「想像一下,如果將光聚集起來,射向一個非常小的透明玻璃球,玻璃球對光的折射改變了光的傳播方向和動量,這會對小球施加一個和光偏轉方向相關的反作用力,而聚焦中心是這個力的平衡點。」吳教授說,「通過調整聚焦中心的三維位置,小球也能跟著移動,這就是光鑷的基本原理。」

這把光鑷,如今已成為科學研究不可或缺的工具。這次諾獎頒獎詞中,尤其強調其在生物領域的應用。例如對細胞和DNA分子的精確操控。由於光是「無形」的,它對實驗操控對象是無損的。就在兩個多月前,日本科學家開發出了利用光自由操縱人類的內源性蛋白定位的技術,在全球首次利用光成功操縱了細胞分裂(紡錘體)的排列。

另一方面,我國清華大學科學家等和其他地區科學家一起,正在探索利用光鑷操控超高真空環境下納米大小的晶體,探索宏觀物體的量子力學效應。

那麼,在未來,光鑷有沒有可能進入臨床醫療領域,例如直接進入癌細胞,將其修復為健康細胞呢?吳教授對此不敢斷言,他說:「雖然原則上有可行性,但相較於科學研究時的單細胞環境,人體是一個非常複雜的系統。」

對於另兩位獲獎者,熱拉爾·穆魯和唐納·斯特里克蘭。據了解,前者是後者的老師。他們的貢獻在「啁啾脈衝放大」研究的開拓。啁啾,形容鳥叫的聲音。唐代王維有詩 《黃雀痴》:「到大啁啾解游颺,各自東西南北飛。」 如此詩意的用典,到了嚴肅的物理學領域中,也挺有趣。

「你聽過鳥叫,一聲婉轉鳥啼往往前部略低,後部上揚,科學家們把光比作這鳥鳴,」吳教授介紹,在物理學領域,啁啾脈衝泛指一個脈衝前沿和後沿的頻率不同。將啁啾脈衝應用到的脈衝光放大技術,是出自此次兩位獲獎者的超短超強雷射關鍵技術。雷射是科學研究的重要工具,許多研究需要將短脈衝的功率以幾何級數放大,然而峰值功率過強的脈衝光會損害光放大的晶體媒介。科學家就想出了一個非常聰明的辦法——先將短的無啁啾脈衝拉伸成長的啁啾脈衝,降低其峰值功率,等放大後,再壓縮回短的無啁啾脈衝。這就是啁啾脈衝放大技術的由來。

諾獎得主啥形象?開著拉風小跑車圍著紅圍巾

獲獎名單上的第二位,熱拉爾·穆魯,與上海科學家淵源不小。

「他是我們所聘請的中科院愛因斯坦講席教授,熱拉爾·穆魯教授和自己的博士生唐納·斯特里克蘭在1985年共同發明的啁啾脈衝放大技術,在雷射領域一直被譽為是諾獎級成果,這次算是眾望所歸。」 中科院上海光機所強場雷射物理國家重點實驗室主任冷雨欣告訴解放日報·上觀新聞記者。

據介紹,這一技術使得有限的雷射能量能在非常短的時間尺度上釋放出來,瞬間產生非常強的雷射,開闢了強場雷射物理的新時代。雖然當時提出這一概念的文章發表在了影響因子不是很高的雜誌上,但如今這一技術已被廣泛應用於發展超強超短脈衝雷射系統中。早在2010年《自然》雜誌就預測未來10年雷射領域可能實現5項重大突破,其中4項與超強超短雷射直接相關。當年,《科學》雜誌也發專文指出,「這項工作將影響每一項研究,從聚變到天體物理。」

「除了基礎前沿研究領域,這一技術也已被用於工業和醫療等領域,比如新材料加工,乃至飛秒雷射眼科手術等。將來這項技術也還會有更多應用,日益融入人類的生活。」冷雨欣介紹。

正因為此,超強超短雷射成為了國際上雷射科技的最新發展前沿與競爭重點領域。非常值得一提的是,這一技術提出沒多久,中科院上海光機所就迅速跟蹤了這一技術潮流,由徐至展院士開拓與發展了我國超強超短雷射與強場物理領域及其重大應用研究。2013年,在徐至展院士和李儒新院士帶領下,上海光機所強場雷射物理國家重點實驗室研製成功了當時國際最高峰值功率2拍瓦雷射放大系統,此前國際最高雷射峰值功率是由美國勞倫斯-利弗莫爾國家實驗室1999年創造、並保持14年領先地位的1.5拍瓦。2017年10月,由中科院上海光機所和上海科技大學超強雷射光源聯合實驗室傳出喜訊:上海超強超短雷射實驗裝置的研製工作取得重大突破,成功實現了10拍瓦雷射放大輸出,這是目前已知的最高雷射脈衝峰值功率。

中科院上海光機所-上海科技大學超強雷射光源裝置 趙侃 攝

「熱拉爾·穆魯教授長期支持中國的超強超短雷射研究,他也是我們多個項目的國際顧問之一,最近基本每年都來我們實驗室交流訪問。」 冷雨欣向解放日報·上觀新聞記者說起了熱拉爾·穆魯教授的一些軼事。作為一名科學家,他非常嚴謹。而作為一名法裔,他又非常浪漫。儘管已將近 80歲,但他身材修長,一頭飄逸白髮,喜歡開著敞篷車到處兜風,還長期堅持游泳,是一位很懂得生活的老人。

「他挺特立獨行的,我記得他冬天喜歡帶著紅色圍巾,開著寶馬小跑車,非常拉風,」上海理工大學劉一教授有著相同的印象說。2015年他回國前,曾在熱拉爾·穆魯擔任負責人的法國國家科學研究中心應用光學實驗室工作。

「我2006年進入實驗室工作,之後在他的推薦下拿到了法國國家科學研究中心的終身職位,」劉一教授說。他印象中,這位開創了啁啾脈衝放大理論的科學家,研究風格最大的特點是非常富有想像力,非常大膽,天馬行空。「他就是敢想敢幹,甚至很多人會覺得他『不靠譜』,」劉教授舉例,目前在歐洲進行的名為「ELI」的大科學項目就是他發起倡導並大力推動的。這一項目的目標之一,是將雷射技術的功率上限推進到200拍瓦(一拍瓦相當於10的15次方瓦),而當時普遍水平能達到的指標僅僅1拍瓦,向上有一點點進步都非常艱難。「當時很多人覺得增加到10拍瓦都不太可能,但是他堅持200拍瓦,」劉一教授說,最終,這一項目在捷克等歐洲三國落地,目前已經在穩步推進中。

諾貝爾物理學獎是否能被「預測」?

有意思的是,就在諾貝爾獎項公布前一小時,記者採訪了多次預測諾貝爾物理學獎的復旦大學施郁教授。他明確說,可能「跟雷射有關」。
諾貝爾物理學獎真的能被「預測」嗎?近年來,這些「預測」似乎越來越准了呢。
一方面的因素,來源於大數據技術的進展。原湯森路透智慧財產權與科技事業部、擁有 Web of Science、InCites 等著名論文及期刊索引平台的科睿唯安公司(Clarivate

Analytics),自 2002 年以來,每年基於 Web of Science 平台上的論文和引文數據,遴選諾貝爾獎獎項所涉及的生理學或醫學、物理學、化學及經濟領域中全球最具影響力的頂尖研究人員,授予他們「引文桂冠獎」。這一獎項以研究論文被全球同行引用的頻次和引文影響力為主要標準,獲獎人很有可能成為當年或未來的諾貝爾獎得主。迄今為止,已經有 46 位「引文桂冠獎」得主獲得諾貝爾獎,其中 27

位在榮獲「引文桂冠獎」之後的兩年內即斬獲諾獎。

另一方面,在引文數據對多項專業領域的普適性預測以外,物理學獎似乎也已被學界發現了脈絡。早在2009年,復旦大學物理學系施郁教授就撰文指出,諾貝爾物理學獎在粒子、凝聚態、原子分子光(簡稱原分光)和天體幾個主要領域的輪換,並幾乎每年都為諾獎物理學獎做出了精準預測。在不少專家眼中,諾獎不僅是科學家個人的榮譽,更代表著業內對專業方向發展的認可和期待。

「所以這一年給了這個研究方向,第二年一般不會再給」,對於諾獎,國家973項目首席科學家沈健教授曾有此解讀。縱觀近三年情況,粒子物理、凝聚態物理、天體物理領域的成果已經相繼折桂。

這些諾獎的「小八卦」既保持了科學史的嚴肅性,也給普通人了解科學平添一份歡樂。不由讓人想起另一則趣聞,1999年,加拿大科幻小說家羅伯特·索耶在《未來閃影》里這樣寫道——「和所有物理學家一樣,西奧每年都會興致勃勃地等待新的諾獎得主……他點開網頁,佩爾穆特和施密特獲獎,他們的研究表明,宇宙將一直膨脹,而非咔嚓一聲坍掉。好吧,西奧心想,實至名歸。」

小說出版12年後,包括佩爾穆特和施密特在內的三位天體物理學家攜手摘得2011年諾貝爾物理獎。獲獎理由是,他們對超新星的觀測證明,宇宙在加速膨脹、變冷,這一發現「震動了宇宙學的基礎」。

關於物理學,科學家們正在書寫更多的故事,創造更多的傳奇。一年一度的諾貝爾獎,讓我們一起豎耳傾聽。

新聞連結諾貝爾物理學獎小數據

1901年至2017年間,物理學獎共頒發111次。其中,47次授予一名科學家,32次由兩名科學家分享,32次由三名科學家分享。

共有207人次獲得諾貝爾物理學獎,其中美國物理學家約翰·巴狄恩分別在1956年和1972年兩次摘得桂冠,因此實際獲獎科學家為206名。

截至2017年,只有兩名女性科學家獲得物理學獎。最近一次是在1963年,德裔美國女物理學家瑪麗亞·格佩特-梅耶因發展了解釋原子核結構的數學模型獲得物理學獎。

歷屆物理學獎獲獎者獲獎時的平均年齡是55歲。最年輕的得主是英國物理學家勞倫斯·布拉格,他因X射線晶體結構的研究於1915年獲獎,當時才25歲;最年長的是美國科學家雷蒙德·戴維斯,他2002年獲獎時已88歲高齡。

在物理學獎的歷史上,曾有1對「夫妻檔」同時獲獎。居里夫婦的故事人們早已耳熟能詳,因對放射性物質的研究,皮埃爾·居里、瑪麗·居里夫婦一同獲得1903年諾貝爾物理學獎。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1935年諾貝爾化學獎。

在物理學獎獲獎者中,還有4對「父子檔」,其中威廉·布拉格與勞倫斯·布拉格於1915年同時獲獎,其他三對父子不是同年獲獎。

21世紀以來,諾貝爾物理學獎獲獎情況,資料圖源自復旦大學物理系施郁教授


延伸閱讀

多個涉海!兩院院士投票評選「2018年中國十大科

冬季作物促壯控旺,保花保果!植物生長調節劑應該這

距地僅650光年外白矮星正在吞噬伴星,每年脈衝一

多國科考站目擊UFO飛向南極,南極腹地地下到底藏

這種史前怪物如果出現在如今的地球上, 沒有哪種生


熱門內容

友善連結