諾貝爾物理學(xué)獎得主Arthur Ashkin去世，他發(fā)明了“激光鑷子”，曾抱怨被諾獎遺忘

賈浩楠 發(fā)自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

9月21日，2018年諾貝爾物理學(xué)獎得主，Arthur Ashkin在美國新澤西的家中去世，終年98歲。

昨天，他的親屬向外界確認(rèn)了這個消息。

△圖源：諾貝爾獎官網(wǎng)

Arthur Ashkin最重要的研究成果，就是發(fā)明了從物理學(xué)到生物醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域都廣泛使用的工具“激光鑷子”。

他的故事十分傳奇，參與過美國核武器研究、諾獎靈感來自無意聽到的對話，后來卻被同組華人科學(xué)家“搶”走了諾獎……

這位為廣大科研人員提供“生產(chǎn)工具”的Arthur Ashkin，有著怎樣的人生經(jīng)歷？

放棄核武器，轉(zhuǎn)投激光研究

1922年9月2日，Arthur Ashkin出生于紐約布魯克林區(qū)。

Ashkin家是來自烏克蘭的猶太裔移民。

二戰(zhàn)期間，阿什金在哥倫比亞大學(xué)實驗室工作，為當(dāng)時美軍用的軍用雷達(dá)開發(fā)了一種磁控管。

1947年，他從哥倫比亞大學(xué)畢業(yè)，獲得物理學(xué)學(xué)位。

Arthur Ashkin的哥哥，Julius Ashkin，也是一位核物理學(xué)家，當(dāng)時服務(wù)于美國的核武器研究——曼哈頓計劃。在兄長的引薦下，Arthur Ashkin也加入了曼哈頓計劃。

當(dāng)年參與美國核武器研發(fā)的不少科學(xué)家，都為開發(fā)毀滅性武器而自責(zé)，其中最著名的是曼哈頓計劃的總負(fù)責(zé)人奧本海默。

在美國對日本使用核武器之后，他在國會發(fā)言：“我的雙手沾滿鮮血……”

而Arthur Ashkin也在1952年完全退出了曼哈頓計劃，但他的理由，并不是人道主義。

因為他的哥哥太過優(yōu)秀，Arthur總覺得自己活在兄長的光環(huán)下——“我被稱為阿什金的弟弟阿什金”。

于是，小阿什金決定轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。

1952年獲得康奈爾大學(xué)的博士學(xué)位后，Arthur Ashkin加入貝爾實驗室，研究微波。大約十年后，他開始專注于激光和非線性光學(xué)，并且一直在這個領(lǐng)域探索，直至1992年退休。

Arthur Ashkin的主要科研、職業(yè)生涯全部在貝爾實驗室度過。

1963-1983年，他擔(dān)任貝爾實驗室激光系領(lǐng)導(dǎo)，他最重要的“激光鑷子”成果，就是在這期間取得的。

“偷聽”來的諾獎靈感

Arthur Ashkin獲得諾獎的研究成果，是發(fā)現(xiàn)了激光對微觀物體的捕捉現(xiàn)象。

并在此基礎(chǔ)上發(fā)明了“激光鑷子”，準(zhǔn)確的說，是“光阱”。

激光鑷子可以捕捉、移動小至原子，大至細(xì)菌微生物的物體，如今廣泛運(yùn)用在物理、生物醫(yī)學(xué)等等廣大研究領(lǐng)域。

而Arthur Ashkin的靈感來源，卻是一次偶然“偷聽”到的對話。

1966年，他作為貝爾實驗室激光研究部門的負(fù)責(zé)人，去鳳凰城參加一個科學(xué)會議。

在那里，他偶然聽到兩位研究人員討論激光的一些奇怪性質(zhì)：激光束中的塵埃顆粒會來回亂竄 。

這個時候，激光還是一個新東西，6年前才剛被發(fā)明出來。

這兩位研究人員認(rèn)為，造成塵埃位移的原因可能是“光壓”（light pressure）。

這里解釋一下，光壓是指光照射到物體上對物體表面產(chǎn)生的壓力，可以通過光的電磁理論或光的量子理論計算大小。

這番討論引起了Arthur Ashkin的注意，回到實驗室后，他做了一系列實驗和計算，證明光壓并不是引起微粒位移的原因，真正的原因是熱輻射。

他用一個及其微小的透明玻璃球做實驗。激光的光子通過這個球體，確實能夠把它推來推去。

但出乎意料的是，球體卻被“吸”在了激光束的中心。

其實這個現(xiàn)象用最簡單的動量守恒就能解釋：當(dāng)光子穿過球體并被它偏轉(zhuǎn)時，球體也向相反方向移動。由于光束中心有大量光子，球體因此被驅(qū)使著向中心移動。

Ashkin當(dāng)即意識到，通過兩束相互指向的激光束，可以捕捉微小的物體，并操控其移動。1970年，他將這一里程碑式的發(fā)現(xiàn)發(fā)表在物理學(xué)頂級期刊PRL上。

1980年，他又提出了一種利用光學(xué)陷阱來測量電子電荷的方法。

之后的1986年、他與貝爾實驗室的同事，主要是美籍華人科學(xué)家朱棣文，完成了激光鑷子的第一次實際應(yīng)用，實現(xiàn)了對原子的捕獲。

隨后，Arthur Ashkin又將這個新技術(shù)用于生物科學(xué)領(lǐng)域。他開始嘗試用激光捕獲活著的微生物，1987年發(fā)表了相關(guān)結(jié)果。

他開創(chuàng)的所謂”細(xì)胞內(nèi)部手術(shù)”，可以激光誘捕器在細(xì)胞內(nèi)抓取并移動細(xì)胞核和葉綠體等大型細(xì)胞器。為生物醫(yī)學(xué)研究手段進(jìn)步作出巨大貢獻(xiàn)。

而Arthur Ashkin后來透露，激光捕獲微生物，其實也是一個“偶然”的發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時在一個實驗運(yùn)行一夜后，他意外地在光束穿過的器材上發(fā)現(xiàn)細(xì)菌也被困住了。

盡管“偶然性”在Ashkin的研究中扮演重要角色，但“激光鑷子”的重要性卻是里程碑式的，諾貝獎委員會根本無法忽略。

但是，第一個因為激光捕獲技術(shù)獲諾獎的，卻不是Arthur Ashkin本人。

“諾獎將我遺忘了”

1997年，Arthur Ashkin當(dāng)年在貝爾實驗室的主要合作伙伴，也是首次實現(xiàn)激光捕獲原子的主要研究者，美籍華人科學(xué)家朱棣文博士，獲得當(dāng)年諾貝爾物理學(xué)獎。

朱棣文博士獲獎的理由是：發(fā)明了用激光冷卻和俘獲原子的方法。

結(jié)果出來后，Arthur Ashkin在接受紐約時報采訪時十分不高興，認(rèn)為“自己被諾獎遺忘了”。

但是，2018年終于獲得這個早該得到的物理學(xué)獎后，Arthur Ashkin卻表現(xiàn)很平淡，他說：“很早就不糾結(jié)獎項和榮譽(yù)了，正在寫新論文，不想慶祝舊的東西?！?/p>

縱觀激光輻射壓力之父Arthur Ashkin博士的一生，獲得了許多該領(lǐng)域的“第一”：第一個觀察到原子上的光學(xué)梯度力、第一個對原子進(jìn)行激光冷卻、第一個觀察原子光學(xué)俘獲。

基于這些研究，Ashkin 將這項工作擴(kuò)展到捕獲和操縱細(xì)菌，病毒和細(xì)胞等生物材料。Ashkin利用“光鑷”探索細(xì)胞內(nèi)部，操縱其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并為理解人體正常和患病狀態(tài)的新方法奠定基礎(chǔ)。

退休后，Arthur Ashkin的研究興趣轉(zhuǎn)向了太陽能，實驗室也變成了自家地下室。

他還曾半開玩笑說，自己關(guān)于太陽能的研究再獲一次諾貝爾獎也沒問題。