彭洋医生 http://www.ykhongye.com/zjll/本文为年诺贝尔物理学奖官方解读，由中科院物理所科学传播协会诺奖小分队翻译，标题为译者所加。文中部分内容参考了科学网和果壳网的相关文章，在此表示感谢。为保证文章内容更符合中文语言逻辑，便于读者理解，译者对文中部分段落的行文顺序进行了调整。由于时间仓促，错误在所难免，恳请读者批评指正。
今年被授予诺贝尔物理学奖的两项工作，可以说彻底改变了激光物理学。它们使科学家可以用全新的技术手段来观测那些极其微观的物质和超快的过程。不仅仅是物理学领域，在化学、生物学以及医学等方面，已经有了大量基于这两项工作而产生的精密仪器设备，它们或被用于基础科学研究，或已在生活中有了实际的应用。
阿瑟·阿什金（ArthurAshkin）发明了用激光束操纵粒子、原子和分子的光镊，这使得人们能够在保证病*、细菌以及其它活体细胞不被破坏的前提去检测和操控它们。阿什金的光镊为我们观察和控制生命体的内部结构创造了全新的机会。
杰哈·莫罗（GérardMourou）与多娜·斯崔克兰（DonnaStrickland）为人类创造最短、最强的激光脉冲铺平了道路。他们开发的技术开辟了新的研究领域，并在工业和医疗领域产生了广泛的应用。例如，每年有数百万台的眼睛手术是利用最锋利的“激光手术刀”来完成的。
用光给原子制造一个陷阱
在20世纪60年代开播的电视剧《星际迷航》中，牵引光束可以在没有物理接触的情形下，将包括小行星在内的任何物体给取回。在当时，这听起来就是纯粹的科幻。然而阿瑟·阿什金却一直有一个梦想：如果有一天，光束真的可以用来工作、移动物体的话，那该有多好。
事实上，我们早就知道光是具有能量的，毕竟无论是谁在炎炎烈日下暴晒一会儿都会觉得很热。但是，这样的光压强太小，别说是用来搬东西了，光照在我们身上，我们连一丁点儿的推力都感受不到。不过，换个角度去想，事情可能就不大一样：这样的力量对人体来说可能太小，但如果换成极小的粒子甚至是原子，光真的也推不动它们吗？
我们都知道，普通的白光，例如最常见的太阳光，其实是混合了许多种颜色而产生的，光束在各个方向都会有散射。而激光却不相同，一方面，它具有很好的单色性，另一方面，它还同时具有很高的相干性，这是它区别于其它自然光最主要的两个特性。
正因如此，阿什金意识到：激光将会是利用光束移动微小粒子的理想工具。年，世界上第一台激光器发明问世后，阿什金立刻就用这个全新的激光器在纽约城外的贝尔实验室进行实验。
他用激光照射微米级的透明球体，结果如预期的一样，球体立刻被移动了，而且是被拉到了光强最大的光束中心位置，阿什金对此感到很疑惑。对于这个现象的解释是，无论激光束有多么细锐，其强度都会从中心开始向边缘逐渐减弱，激光施加在粒子上的辐射压力也会因此产生变化，将粒子“挤压”在光束的中间。
更进一步，阿什金增加了一个透镜来聚焦激光。从图1(4)中我们可以看出，由于透镜的加入，粒子被牢牢锁定在焦点的位置——那一点的光强最大。于是，一个光阱诞生了，后来人们称它为光镊。
图1 阿什金创造出的光阱，后来被称作光镊。
微米级的透明小球不是我们的终极目标，我们希望这样的光阱可以捕获单个的原子。从微米小球到单个原子，这中间的难度绝不仅仅是尺度缩小这么简单。首先，光镊需要更强的作用力才能够抓住原子；其次，当降低到原子尺度时，原子热运动的影响不能被忽略。因此，我们必须找到一种方法去减慢原子的运动，并将其限制在一个极小的区域内。
直到年，随着实验条件和技术的日臻成熟，配合其它的技术手段，光镊终于可以实现对单个原子的捕获了。
用光捕获活的细菌
随着减速原子本身成为一个独立的研究领域，阿什金发现了光镊的一个全新应用——研究生物系统。事实上，这个发现也算是一种机缘巧合。
为了用光镊捕获更小的粒子，他选择小的花叶病*作为样品。非常碰巧的是，阿什金有一晚没有对样品做密封处理，于是在第二天，他发现样品中充满了四处运动的大的粒子。通过显微镜的观察，他发现这些粒子其实是细菌，并且当它们靠近激光束时，就无法自由地游动，而是被囚禁在光阱中。
然而，他的绿色激光能量太强，会把细菌杀死，所以需要一个相对来说弱一点的激光来保证细菌可以存活。当换成红外激光时，细菌就可以安然无恙地在光阱中繁殖了。
随后，阿什金的研究主要集中在其它一些不同的细菌、病*和活细胞之中。他甚至证明了我们的光镊可以在不破坏细胞膜的情况下进入到一个细胞的内部。
阿什金用他的光镊开启了一整个崭新的应用领域。其中，一个重要的突破就是这个方法可以用来研究分子马达的机械特性。分子马达是一种在细胞内起到重要作用的生物大分子，第一个用光镊具体描绘出的马达蛋白是驱动蛋白，它会沿着微管（细胞骨架的一部分）一步一步地向前移动。
图2 分子马达驱动蛋白在光镊的作用下沿着细胞骨架前进。
从科幻走向实际应用
过去的几年中，许多研究人员都受到阿什金的启发，利用了他的方法并做了进一步的完善和优化。
无数应用的发展都离不开光镊技术的发明与推动，它们使我们在不接触到研究对象的前提下，就能对其进行观测、翻转、切割、推拉等操作。因此在很多实验室中，光镊成为了研究包括单个蛋白质分子、分子马达、DNA或其它细胞内部活动等在内的生物过程的标准仪器。
光镊的最新应用之一是光学全息术。这项技术使用上千个光镊同时工作，能够完成从受感染的血细胞中分离出健康的血细胞等各种任务，可以被广泛应用于攻克疟疾的研究中。
光镊技术的诞生和发展，就仿佛科幻作品变成了我们日常生活中的现实。阿什金不断地为他光镊技术的发展感到震惊。而今年诺贝尔物理学奖的第二项工作——超短超强的激光脉冲，也曾一度是研究人员们眼中并不现实的“未来科技”。
产生超短超强激光的新技术
激光是通过用少量光子生成更多光子的链式反应而产生的，这些光子可以以脉冲的形式被释放出来。自激光被发明以来，已经过去了约60年，研究人员在不断尝试产生强度更大的激光脉冲。但是到上世纪80年代中期，这条路似乎已经走到尽头，想要继续增加激光脉冲的强度而不破坏放大介质，这是不可能实现的。
当时，多娜·斯崔克兰从加拿大来到了美国的罗切斯特大学，在这里，她致力于投身激光物理的研究。她之所以选择这个研究方向，绝不仅仅是被那些把实验室映照得像圣诞树一样漂亮的红绿激光束所吸引，她的导师杰哈莫罗极具前瞻性的学术视野也在其中起到了至关重要的作用。
年12月，斯崔克兰发表了自己的第一篇学术论文，在这篇文章中，关于激光脉冲的放大问题终于有了突破，她的技术可以把激光脉冲放大到空前的程度。
这项技术的灵感来自于一篇科普文章，只不过文中描述并非是可见光，而是雷达和它所用到的长波长无线电波。要想把这个想法移植到波长更短的可见光波上，无论是在理论层面还是实际操作层面都十分困难。为此，成功实现这些操作花费了他们几年的时间，直到年，论文才得以正式发表。
斯崔克兰和莫罗发明的新技术被称作“啁啾脉冲放大”（CPA）这种方法可以说既简单又优雅：取一束激光脉冲，在时域上展宽，放大，然后再重新压缩成短脉冲。
更通俗地说，当一束激光在时域上展宽时，它的峰值功率会变得很低，这样就可以在不破坏放大器的情况下放大脉冲。接下来，这束脉冲在时域上被压缩，这意味着更多的光被压缩到了一个很小的区域内，这样就极大地增加了激光脉冲的强度。
在研究过程中，他们一如既往地遇到了很多理论层面和实际操作层面的困难。例如，脉冲是用一种最新得到的2.5km长的光纤来展宽的，但是真正进行实验时，光线的另一端却没有光出来，这说明光纤在中间什么地方断掉了。在经历了很多麻烦后，他们不得不将需要的光纤长度勉强压缩到了1.4km，以保证不再出什么幺蛾子。
实验中遇到的另一个主要的挑战是使实验设备的不同部分同步，从而使得激光延展器和压缩器能够协调工作，尽管很艰难，但这个问题最终也被顺利解决了。年，斯崔克兰和莫罗成功地告诉世人，他们优雅的想法在实践上也是可行的。
图3 CPA技术彻底革新了激光技术，它通过一系列复杂的方法在避免破坏放大介质的前提下能够发射超强、超短的脉冲激光。CPA技术首先在时间域上将脉冲展宽降低峰值功率，而不是直接放大脉冲光。当更多的激光被收集并压缩在同一个位置的时候，激光脉冲就被放大了。
由斯崔克兰和莫罗发明的CPA技术在激光物理学领域掀起了革命。它已经成为后来所有高强度激光的标准技术，并且其在物理、化学、药学等领域的应用在相应领域都开启了一个全新的时代。目前，人们在实验室里就可以制造出最短、最强的激光脉冲。
世界上最快的摄像机
这些超短超强的激光脉冲是如何应用的呢？其中一个早期的应用领域就是在不断变化的微观世界中，给分子和原子间的相互作用事件“快速照相”。这些事件的发生非常迅速，以至于很长一段时间里，我们只能看到事件发生之前和之后的状态。但是，如果这些脉冲能够缩短至飞秒数量级，即十亿分之一秒，我们就有可能看到在以前看来似乎是瞬间发生的事件。
高强度的激光也可以成为改变物质特性的工具，比如绝缘体可以变为为导体，锋利的激光束也可以非常精确地对各种材料甚至活的生物物质进行切割或钻孔。
激光可用于创建更有效的数据存储，这是因为数据不仅可以存储在材料的表面上，而且可以存储在深入介质的小孔中。这种技术还可用于制造手术支架，这种支架是只有微米尺度的细长的金属圆柱体，它可以对血管、尿道等体内的其它通道进行扩张和加固。
还有无数潜在的应用领域尚未被完全探索，技术手段的每一次进步都为科学家们打开了新世界的大门，对基础研究和应用研究产生着广泛而深远的影响。
阿秒物理是最近兴起的研究领域之一。阿秒（1阿秒是10-18秒）之内的激光脉冲可以展现电子奇妙世界。电子是化学的本质，它们不仅承担着化学键的作用，还决定了所有物质的光学和电学特性。如今，利用阿秒物理技术，我们不仅可以观测电子，还可以控制电子。
图4 飞秒激光器产生的短脉冲（右）相对于比其百万倍长的脉冲（左）在材料上产生的损害更少。超短超强激光脉冲可应用于眼部手术、数据存储以及体内通道的手术医疗支架制造。
图5 激光的脉冲速度越快，能观测到的过程也就越快。超短激光脉冲只有几飞秒，甚至可以达到阿秒量级，这就使得曾经只能猜测而无法观测的物理或化学过程被拍摄到；电子围绕原子核的运动也可以通过阿秒相机被观测到。
迈向更强的激光
这些新激光技术的大量应用即将到来：更快的电子产品，更高效的太阳能电池，更好的催化剂，更强大的加速器，新能源，还有药物设计等等。毫无疑问，激光物理学领域的竞争将会更加激烈。
多娜·斯崔克兰现在正在加拿大继续从事她的科研工作，而已经回到法国的杰哈·莫罗则在参与泛欧激光计划和其它课题。他发起并领导了极限光基础设施（ELI）的早期开发，该设施将几年内在三个地点——捷克、匈牙利和罗马尼亚完工。ELI设计的峰值功率将达到瓦，这足够同时点亮万亿个白炽灯泡。
三个地点的设施将着眼于不同的研究领域：匈牙利重点
