光是我们获取世界信息的主要方式，而每一次光操纵方面的突破都能让研究人员以新的方式看到自然的全新方面。今天，三位科学家因其在开发强大的激光技术方面的贡献而分享了诺贝尔物理学奖，这项技术使生物学家和物理学家能够揭开隐藏在极其微小和极其快速事物上的面纱。
该奖项表彰了两种有影响力的激光工具的发明者：美国物理学家 Arthur Ashkin 发明了一种利用聚焦光束捕捉和固定物体的方法；法国的 Gérard Mourou 和加拿大的 Donna Strickland 发明了一种创造性的解决方案，能够将激光束的强度集中和放大到超过标准材料允许的程度。Strickland 是加拿大滑铁卢大学的副教授，她是继1903年的玛丽·居里和1963年的玛丽亚·格佩特-梅耶之后，第三位获得诺贝尔物理学奖的女性。
“显然，我们需要庆祝女性物理学家，因为我们就在那里，”她 据 NPR 报道。“我不知道该说什么，我很荣幸成为这些女性之一。”
Ashkin 发明了一种现实版的《星际迷航》中的牵引光束装置，被低调地命名为“光镊”。在上世纪60年代和70年代，他在贝尔实验室工作时，证实了自17世纪以来就存在的传统观念，即光束可以推动物质，即使只能推动一点点。“光并没有太大的威力，”在纽约大学从事光阱研究的物理学家 David Grier 说。“你无法用它来举起一辆卡车，但你可以想象移动一个原子。”
原子很难看到，所以 Ashkin 从透明的微观珠子开始。他立即注意到，除了“顺流”移动外，粒子还漂向光束中间更强的区域。下一步是观察他能以多快的速度移动粒子，于是他设置了一个透镜将光束聚焦到一个点。他设想，附近的粒子会被拖入光束中心，然后被放大的顺流力射出，“就像一个光学加农炮，”Grier 说。
但事与愿违。相反，粒子飞到中心点并冻结，被固定在原地。通过前后移动光束，Ashkin 也能移动这些微小粒子，因此得名光镊。没有人曾怀疑波能够将物体逆流而上，对抗激光的流动，但很快就弄清楚了原因。当透明珠子将光向下散射时，它们会自然地向后反冲，就像一个划独木舟的人把一个保龄球扔过船头。“这推翻了一个世纪的直觉，”Grier 说。“这是长久以来就摆在眼前的东西，而 Art 发现了它。”
Ashkin 很快就从镊取珠子升级到镊取活细菌和病毒，这对生物学家来说非常有价值，因为你知道，没有太多方法可以捡起如此微小的生物。据 Grier 介绍，其他科学家几乎立刻就认识到了该工具的价值，世界各地的研究人员在几年内就开始使用光阱。
如今，物理学家们仍在不断拓展这项技术的应用范围。虽然 Ashkin 的镊子每次只能移动一个物体，但 Grier 的实验室开创了一种方法，通过计算机生成的图像扩展一束光，然后将其聚焦以同时捕获数百个粒子。他们目前正与 NASA 合作，扩大这项技术规模，以捕获经过的彗星可能方便地 deposited 在地球轨道上的古代冰晶和尘埃颗粒，其中一些甚至肉眼可见。“当你可以用一团光托举起肉眼可见的东西时，那真是有点令人毛骨悚然，”他说。
诺贝尔奖的另一半由 Strickland 和目前在法国巴黎综合理工学院的 Mourou 分享，他们回答了激光实验者长久以来的一个愿望：更强的功率。在1960年发明第一台激光器后，物理学家们大约用了十年时间稳步提高激光的强度，直到遇到了瓶颈。
激光器首先使用一种叫做振荡器的装置产生弱脉冲，然后，令人惊讶的是，用放大器放大它们。但达到一定程度后，放大的光会变得太强，从而损坏设备，就像一个音量开到11的扬声器发出的声波一样。为了避免这种熔毁，当时在罗切斯特大学工作的 Mourou 和 Strickland 想到了一个巧妙的解决方案——将光束拉伸开（他们使用了近一英里的光纤），在它较弱的状态下进行放大，然后重新压缩它，得到一个极短、极强的“脉冲”。在解决了技术难题后，他们在1985年发表了这项研究成果，由此开启了制造更佳、更快、更强激光脉冲的竞赛，这场竞赛至今仍未放缓。
“这是光学科学领域最大的革命之一，”中佛罗里达大学（University of Central Florida）的光学物理学家 Zenghu Chang 说，他的实验室去年演示了创纪录的极短激光脉冲。“这是一项能带来发现的发明。”
这种被称为啁啾脉冲放大（CPA）的、难以置信地短暂而强大的闪光，启动了实验物理学的多个领域，并开启了 Chang 所说的“极限科学”的大门。激光产生的极高温度和磁场使研究人员能够在极端条件下研究物质，创造等离子体，并将电子以接近光速的速度发射出去。在更实际的应用方面，只要有足够的强度，激光就可以汽化其照射到的任何材料，产生快速蒸发，制造商利用这种技术以高精度切割金属。医生还利用这项技术，通过矫正视力手术，每年改善数百万人的视力。
CPA 激光器的超高速度也为科学成像开辟了一个全新的快速现象领域。“当你想要看到快速发生的事情时，你需要使用比它更快的工具，”Chang 说。他创纪录的2017年闪光（使用 CPA 激光器作为火花塞）仅持续了53阿秒。（一秒钟内，光可以几乎从地球到达月球。一阿秒内，它只能穿越 一到两个原子。）如此短暂的脉冲使得捕捉分子和电子的图像和视频成为可能。
诺贝尔物理学奖通常表彰基础物理学方面的进展，但过去对技术的认可包括无线电报机（1909年）、晶体管（1956年）、最早的激光器（1964年）、半导体（2000年）和 LED（2014年）的发明者。
2018年的这一奖项为诺贝尔奖获奖技术这一荣誉名单增添了新的条目，但对于成千上万使用 Ashkin、Mourou 和 Strickland 发明的工具并在他们研究催生的光学领域工作的研究人员来说，这一肯定来得太晚了。
“我等这个消息很久了，”Chang 说。“我们知道总有一天会发生。”
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