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今年的诺贝尔物理学奖授予了美国科学家阿瑟•阿什金（Arthur Ashkin）、法国科学家杰哈•莫罗（Gérard Mourou）以及加拿大科学家多娜•斯崔克兰（Donna Strickland）。阿什金获奖是因为其发明的光镊工具，莫罗和斯崔克兰的科研突破则是实现更短更强的激光脉冲技术。
▲图片来自http://nobelprize.org/
因此，一个比较八卦的局面是，阿什金老爷子会独享一半奖金，而穆鲁和斯崔克兰则要共享另一份奖金。
那么问题来了，
为什么不是三人平分呢？
因为这是三个人分成了1:2两个小组，研发的两项技术。而这两项技术，在原理和应用上并没有什么直接的联系。
问题又来了，
为什么要颁给三个人呢？
因为这两项技术都是在激光领域，可以说奠定了其后几十年内学科发展的重要基础。
总而言之，今年的诺贝尔物理学奖，赢家其实就是 ✨ 激光 ✨ 呀。
说起激光，也许你会理解为“激烈的光”。这么说，也有些道理。因为激光能量大、亮度高、与其它物体作用明显，确实是挺激烈的。但这只是表面的套路。
▲图片来自“安徽之声”网
其实，激光真正的内涵，是“激发的光”。粒子（电子、原子、分子）有不同的能态，从高能态跃迁到低能态时，就会发光。一般来说，大多数粒子会存在于低能态，少数存在于高能态。粒子从高能态跃迁到低能态发光，叫做自发辐射。自发辐射，产生的光的频率、偏振方向各不相同。这种光如同灯泡的光一样，不是激光。
▲图片来自搜狐科技
好在，粒子通过获得外界能量（加热、通电、光照等），也能从高能态跃迁到低能态。于是，爱因斯坦发现，当高能态粒子受到光照作用，再从高能态跃迁至低能态发光时，发出的光可以与接收的光在频率、偏振方向、能量上完全相同，这种受激辐射产生的光，才是激光。
▲图片来自搜狐科技
刚刚提到，高能态粒子少，低能态粒子多，这样虽然能产生光子，但因为高能粒子少，产生的光子也少，这些光子会被低能粒子吸收。低能粒子数太多，光子跑不出来，就产生不了激光。只有高能态粒子远远比低能态粒子多，才能源源不断发出激光，这叫做粒子数反转。粒子数反转是发出激光的必要条件。基于此，科研人员经过努力，发明了能够实现粒子数反转、发射激光的装置——激光器。
激光的应用实在是太多了，切割、通信、测距、武器、美容、扫描等，身边的你我他少不了都经历过“一道激光”。
▲图片来自《星战前传》海报
但科研人员并不满足，希望压榨开发出激光更多的作用，希望得到更强更亮的激光。于是，就有了本期主角——光镊技术和啁啾脉冲放大技术。
人类进化的重要一环，是工具的使用。吃饭要用筷子，出行要骑车子，夹个小东西就用镊子。科学家想要夹取极小的物质怎么办？光镊技术就出现了！
爱因斯坦证明了光具有粒子性。既然光具有粒子性，就可以看成一个实际的东西。那么光撞到物体上，就会产生压力。光越强，这种压力就越大，物体在激光中，也会感受到光的压力。
例如在一束平行光中，物体垂直光的方向，难以脱离这束光的束缚，但在沿着光的方向，是可以移动的，而且受到的力的方向是沿着光的方向，这叫做光场的散射力。
此外，会聚的一束光，对物体还有另一种力。
一起来想象如下画面：在一个光滑冰面上，原本伸开的双手合上时，是一个向前的动作，那么人的身体会向后；而合上的双手再向后打开，是个向后的动作，身体会向前。这就是动量守恒定律，原本静止的物体，有一部分向前运动，就必然有一部分向后运动（借助下图理解）。
▲图片来自百度图片
下面，本小结的重点来了，请集中注意力 ?
图a所示，物体（圆球）在焦点之后，对光是一种会聚作用。根据动量守恒，这就类似于在向前伸手，物体受到向后的力，趋向于焦点。图b所示，物体在焦点之前，对光是一种扩散作用，这就类似于在向后打开手，物体受到向前的力，还是趋向于焦点。这就是光场的梯度力。梯度力把物体牢牢地固定在焦点处。
▲图片来自灵魂画手本文作者
在散射力和梯度力的共同作用下，光镊技术就可以发挥作用了。
光镊技术有很多应用，能够实现对微小微粒以非接触的遥控方式进行操作，例如动态跟踪、测量微小力。
光镊的优点在于，不产生机械损伤，只要选择合适的激光波长和能量，对捕获的样品是安全的。光具有穿透性，因此，可以让被操作的细胞还处在原有的适宜环境中。光镊的操控范围大致是在几十纳米到几十微米，结合显微镜，可以实现实时操作。这时，人就可以像搭积木一样，控制细胞或微粒。
▲用光镊操纵48个2微米的粒子逐个排列成“863”字样（图片来自《光镊——无形的机械手》中科大激光生物实验室）
此外，光镊是极其微小的力的探针，是极为灵敏的力的传感器，力的分辨率高达10的负15次方N。光镊作为力的探针，有力地支持了定量生物学的发展，成为揭示生命过程中物质输运、能量转换和信息传递规律的有力工具。
▲图片来自激光制造网
啁啾脉冲放大技术，是获得更高能量激光的技术。
也许你要问，获得更高能量激光，不断使用激光放大器好了，为何发明这项技术？
这是因为激光放大器承受的能力是有限的，放大到一定程度就不能再放大，强行放大就坏掉了。
于是，穆鲁和斯崔克兰采用了一招“欲擒故纵”，他们把原激光的频率变慢，进行放大，然后再把频率变快，就得到了很大功率的激光。
小剧场
哈利波特
山啊！我以魔法之名命令你，再长高一些！
不要白费力气了，你的魔法到极限了，不可能再让我长高了！
傲娇的山
哈利波特
那你就变得宽一点吧！
这没问题，但我的土只有这些，在变宽的同时我就变矮了。
傲娇的山
哈利波特
没关系！我的魔法可以让你增长到之前的高度！
好吧，我变宽了，也变成了原来的高度。你究竟想做什么?
傲娇的山
哈利波特
现在，我以魔法之名命令你，变窄！
土量不变，变窄的同时我又长高了…
傲娇的山
▲图片来自灵魂画手本文作者
啁啾脉冲放大技术自诞生以来，就得到了很快的发展。中科院上海光机所已经研制成功了功率为10PW的超强超快激光装置，也就是10000000000000000W（1后面16个0），而三峡大坝的总装机容量不到2000万KW，也就是20000000000W（2后面10个0），因此，需要有5万多个三峡大坝，才等于这一台装置的功率。
▲来自新浪视频
数值之大大到可怕！这台机器一开，全国都要断电了吧。其实不然，最终还是要看消耗的能量。啁啾脉冲放大技术，是把频率加快，也就把时间放短。有多短呢？可以让时间短至皮秒或飞秒级。皮秒是0.000000000001秒（小数点后12位），飞秒是0.0000000000000001秒（小数点后16位）。这样时间与功率相乘，消耗的能量就并不大了。
▲超强超快激光装置（图片来自搜狐科技）
目前，超快激光器主要应用于工业界和医疗界。例如，对玻璃进行精密加工，用于智能手机屏幕。由于超快激光器作用时间短，能量高度聚集，因此可以很精确地控制激光对材料进行切割、钻削和烧蚀。如果我们放开思维，大胆畅想，会发现超快激光在很多领域还有无限可能。
例如，由于超快激光具有极高的能量，结合前面讲过的，能量越高的光压力越大，那么在某些情况下，就可以用这束激光给粒子进行加速，成为高能粒子。用这种高能粒子进行对撞实验，就可以帮助我们了解物质的本质。
此外，超快激光还可以用于早期癌症的精确检测。目前检测癌症中的一个方法是使用X射线，但如果X射线源的尺寸比较大，就会像一个粗针头，做不了细活，没法发现早期只有几个细胞的癌细胞团。但超快激光本身高度会聚，尺寸很小，用它产生的X射线直径也会很小，就可以用来检测到直径比较小的肿瘤了。
甚至，超快激光还可以用于核聚变反应。有一种可控核聚变方案，就是使用数十个超快激光束，从四面八方照射核聚变燃料，燃料在超强激光的作用下达到极高的密度和温度，最终形成稳定的核聚变反应。
这些画面，曾经都在科幻小说或电影中，为人类所畅想。而科学研究的开拓者们，通过不断努力，让人类的梦想照进了现实。
采访时间
针对本次诺贝尔物理学奖获奖的两位主角➜
光镊技术和啁啾脉冲放大技术
你认为它们还可以在哪些地方发光发热？
尽情把你的脑洞在
下方留言区展现给大家吧！
没准，
下一个科研的灵感之光，
就来自于你哦！
*作者系中国科学院技术物理研究所在读博士生
封面来自百度图片
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作者｜ 郭玮宏
内容来源｜上海科技馆
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