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诺奖得主爱开跑车拉风?你所不知道的诺贝尔物理学奖

作为一名科学家,他非常严谨。而作为一名法裔,他又非常浪漫。尽管已将近 80岁,但他身材修长,一头飘逸白发,喜欢开着敞篷车兜风,还长期坚持游泳,是一位很懂得生活的老人。

原标题:诺奖得主是个爱开跑车的拉风汉子?你所不知道的诺贝尔物理学奖

你知道彗星的尾巴,朝向哪个方向吗?

你知道这次诺奖得主之一,是个喜欢围着红围巾开跑车的拉风汉子吗?

带着这些问题,我们走近今年诺贝尔物理学奖的获奖成果——美国物理学家阿瑟· 阿斯金(Arthur Ashkin)、法国物理学家热拉尔·穆鲁(Gérard Mourou)及加拿大物理学家唐纳·斯特里克兰(Donna Strickland)三位,在激光物理领域的突破性贡献。

彗星尾巴和鸟鸣

“这是上世纪九十年代以来,诺贝尔物理学奖第五次颁给了光学研究成果,”上海大学理学院副院长,量子光学专业陈玺教授统计。光镊和啁啾脉冲放大两项研究,分享了今年的诺贝尔物理学奖。

此次获奖名单上的第一位获得者阿瑟· 阿斯金,是提出光镊理论的第一人。看得见摸不着的光,也能成为“镊子”吗?复旦大学物理学系吴赛骏教授的答案是肯定的,因为光有“光力”。他以彗星为例,彗星大部分由非常稀薄的气体构成,而太阳光的散射将气体分子推向其照射的方向,因此在轨道上飞行的彗星,其彗尾的反方向总是指向太阳,这是光力的观察实证之一:光是有力量的。物理学上,更专业的表达是光子是有动量的。

“想象一下,如果将光聚集起来,射向一个非常小的透明玻璃球,玻璃球对光的折射改变了光的传播方向和动量,这会对小球施加一个和光偏转方向相关的反作用力,而聚焦中心是这个力的平衡点。”吴教授说,“通过调整聚焦中心的三维位置,小球也能跟着移动,这就是光镊的基本原理。”

这把光镊,如今已成为科学研究不可或缺的工具。这次诺奖颁奖词中,尤其强调其在生物领域的应用。例如对细胞和DNA分子的精确操控。由于光是“无形”的,它对实验操控对象是无损的。就在两个多月前,日本科学家开发出了利用光自由操纵人类的内源性蛋白定位的技术,在全球首次利用光成功操纵了细胞分裂(纺锤体)的排列。

另一方面,我国清华大学科学家等和其他地区科学家一起,正在探索利用光镊操控超高真空环境下纳米大小的晶体,探索宏观物体的量子力学效应。

那么,在未来,光镊有没有可能进入临床医疗领域,例如直接进入癌细胞,将其修复为健康细胞呢?吴教授对此不敢断言,他说:“虽然原则上有可行性,但相较于科学研究时的单细胞环境,人体是一个非常复杂的系统。”

对于另两位获奖者,热拉尔·穆鲁和唐纳·斯特里克兰。据了解,前者是后者的老师。他们的贡献在“啁啾脉冲放大”研究的开拓。啁啾,形容鸟叫的声音。唐代王维有诗 《黄雀痴》:“到大啁啾解游颺,各自东西南北飞。” 如此诗意的用典,到了严肃的物理学领域中,也挺有趣。

“你听过鸟叫,一声婉转鸟啼往往前部略低,后部上扬,科学家们把光比作这鸟鸣,”吴教授介绍,在物理学领域,啁啾脉冲泛指一个脉冲前沿和后沿的频率不同。将啁啾脉冲应用到的脉冲光放大技术,是出自此次两位获奖者的超短超强激光关键技术。激光是科学研究的重要工具,许多研究需要将短脉冲的功率以几何级数放大,然而峰值功率过强的脉冲光会损害光放大的晶体媒介。科学家就想出了一个非常聪明的办法——先将短的无啁啾脉冲拉伸成长的啁啾脉冲,降低其峰值功率,等放大后,再压缩回短的无啁啾脉冲。这就是啁啾脉冲放大技术的由来。

诺奖得主啥形象?开着拉风小跑车围着红围巾

获奖名单上的第二位,热拉尔·穆鲁,与上海科学家渊源不小。

“他是我们所聘请的中科院爱因斯坦讲席教授,热拉尔·穆鲁教授和自己的博士生唐纳·斯特里克兰在1985年共同发明的啁啾脉冲放大技术,在激光领域一直被誉为是诺奖级成果,这次算是众望所归。” 中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室主任冷雨欣告诉解放日报·上观新闻记者。     

据介绍,这一技术使得有限的激光能量能在非常短的时间尺度上释放出来,瞬间产生非常强的激光,开辟了强场激光物理的新时代。虽然当时提出这一概念的文章发表在了影响因子不是很高的杂志上,但如今这一技术已被广泛应用于发展超强超短脉冲激光系统中。早在2010年《自然》杂志就预测未来10年激光领域可能实现5项重大突破,其中4项与超强超短激光直接相关。当年,《科学》杂志也发专文指出,“这项工作将影响每一项研究,从聚变到天体物理。”   

“除了基础前沿研究领域,这一技术也已被用于工业和医疗等领域,比如新材料加工,乃至飞秒激光眼科手术等。将来这项技术也还会有更多应用,日益融入人类的生活。”冷雨欣介绍。     

正因为此,超强超短激光成为了国际上激光科技的最新发展前沿与竞争重点领域。非常值得一提的是,这一技术提出没多久,中科院上海光机所就迅速跟踪了这一技术潮流,由徐至展院士开拓与发展了我国超强超短激光与强场物理领域及其重大应用研究。2013年,在徐至展院士和李儒新院士带领下,上海光机所强场激光物理国家重点实验室研制成功了当时国际最高峰值功率2拍瓦激光放大系统,此前国际最高激光峰值功率是由美国劳伦斯-利弗莫尔国家实验室1999年创造、并保持14年领先地位的1.5拍瓦。2017年10月,由中科院上海光机所和上海科技大学超强激光光源联合实验室传出喜讯:上海超强超短激光实验装置的研制工作取得重大突破,成功实现了10拍瓦激光放大输出,这是目前已知的最高激光脉冲峰值功率。

上海超强超短激光实验装置(SULF装置)

上海超强超短激光实验装置(SULF装置)

“热拉尔·穆鲁教授长期支持中国的超强超短激光研究,他也是我们多个项目的国际顾问之一,最近基本每年都来我们实验室交流访问。” 冷雨欣向解放日报·上观新闻记者说起了热拉尔·穆鲁教授的一些轶事。作为一名科学家,他非常严谨。而作为一名法裔,他又非常浪漫。尽管已将近 80岁,但他身材修长,一头飘逸白发,喜欢开着敞篷车兜风,还长期坚持游泳,是一位很懂得生活的老人。

“他挺特立独行的,我记得他冬天喜欢带着红色围巾,开着宝马小跑车,非常拉风,”上海理工大学刘一教授有着相同的印象。2015年他回国前,曾在热拉尔·穆鲁担任负责人的法国国家科学研究中心应用光学实验室工作。

“我2006年进入实验室工作,之后在他的推荐下拿到了法国国家科学研究中心的终身职位,”刘一教授说。他印象中,这位开创了啁啾脉冲放大理论的科学家,研究风格最大的特点是非常富有想象力,非常大胆,天马行空。“他就是敢想敢干,甚至很多人会觉得他‘不靠谱’,”刘教授举例,目前在欧洲进行的名为“ELI”的大科学项目就是他发起倡导并大力推动的。这一项目的目标之一,是将激光技术的功率上限推进到200拍瓦(一拍瓦相当于10的15次方瓦),而当时普遍水平能达到的指标仅仅1拍瓦,向上有一点点进步都非常艰难。“当时很多人觉得增加到10拍瓦都不太可能,但是他坚持200拍瓦,”刘一教授说,最终,这一项目在捷克等欧洲三国落地,目前已经在稳步推进中。

诺贝尔物理学奖是否能被“预测”?

有意思的是,就在诺贝尔奖项公布前一小时,记者采访了多次预测诺贝尔物理学奖的复旦大学施郁教授。他明确说,可能“跟激光有关”。 诺贝尔物理学奖真的能被“预测”吗?近年来,这些“预测”似乎越来越准了呢。 一方面的因素,来源于大数据技术的进展。原汤森路透知识产权与科技事业部、拥有 Web of Science、InCites 等著名论文及期刊索引平台的科睿唯安公司(Clarivate Analytics),自 2002 年以来,每年基于 Web of Science 平台上的论文和引文数据,遴选诺贝尔奖奖项所涉及的生理学或医学、物理学、化学及经济领域中全球最具影响力的顶尖研究人员,授予他们“引文桂冠奖”。这一奖项以研究论文被全球同行引用的频次和引文影响力为主要标准,获奖人很有可能成为当年或未来的诺贝尔奖得主。迄今为止,已经有 46 位“引文桂冠奖”得主获得诺贝尔奖,其中 27 位在荣获“引文桂冠奖”之后的两年内即斩获诺奖。

另一方面,在引文数据对多项专业领域的普适性预测以外,物理学奖似乎也已被学界发现了脉络。早在2009年,复旦大学物理学系施郁教授就撰文指出,诺贝尔物理学奖在粒子、凝聚态、原子分子光(简称原分光)和天体几个主要领域的轮换,并几乎每年都为诺奖物理学奖做出了精准预测。在不少专家眼中,诺奖不仅是科学家个人的荣誉,更代表着业内对专业方向发展的认可和期待。 “所以这一年给了这个研究方向,第二年一般不会再给”,对于诺奖,国家973项目首席科学家沈健教授曾有此解读。纵观近三年情况,粒子物理、凝聚态物理、天体物理领域的成果已经相继折桂。

这些诺奖的“小八卦”既保持了科学史的严肃性,也给普通人了解科学平添一份欢乐。不由让人想起另一则趣闻,1999年,加拿大科幻小说家罗伯特·索耶在《未来闪影》里这样写道——“和所有物理学家一样,西奥每年都会兴致勃勃地等待新的诺奖得主……他点开网页,佩尔穆特和施密特获奖,他们的研究表明,宇宙将一直膨胀,而非咔嚓一声坍掉。好吧,西奥心想,实至名归。”

小说出版12年后,包括佩尔穆特和施密特在内的三位天体物理学家携手摘得2011年诺贝尔物理奖。获奖理由是,他们对超新星的观测证明,宇宙在加速膨胀、变冷,这一发现“震动了宇宙学的基础”。

关于物理学,科学家们正在书写更多的故事,创造更多的传奇。一年一度的诺贝尔奖,让我们一起竖耳倾听。

【新闻链接】 诺贝尔物理学奖小数据

1901年至2017年间,物理学奖共颁发111次。其中,47次授予一名科学家,32次由两名科学家分享,32次由三名科学家分享。

共有207人次获得诺贝尔物理学奖,其中美国物理学家约翰·巴狄恩分别在1956年和1972年两次摘得桂冠,因此实际获奖科学家为206名。

截至2017年,只有两名女性科学家获得物理学奖。最近一次是在1963年,德裔美国女物理学家玛丽亚·格佩特-梅耶因发展了解释原子核结构的数学模型获得物理学奖。

历届物理学奖获奖者获奖时的平均年龄是55岁。最年轻的得主是英国物理学家劳伦斯·布拉格,他因X射线晶体结构的研究于1915年获奖,当时才25岁;最年长的是美国科学家雷蒙德·戴维斯,他2002年获奖时已88岁高龄。

在物理学奖的历史上,曾有1对“夫妻档”同时获奖。居里夫妇的故事人们早已耳熟能详,因对放射性物质的研究,皮埃尔·居里、玛丽·居里夫妇一同获得1903年诺贝尔物理学奖。有意思的是,居里夫妇的女儿伊雷娜·约里奥—居里与丈夫弗雷德里奥·约里奥共同获得过1935年诺贝尔化学奖。

在物理学奖获奖者中,还有4对“父子档”,其中威廉·布拉格与劳伦斯·布拉格于1915年同时获奖,其他三对父子不是同年获奖。

21世纪以来,诺贝尔物理学奖获奖情况,资料图源自复旦大学物理系施郁教授

21世纪以来,诺贝尔物理学奖获奖情况,资料图源自复旦大学物理系施郁教授

诺奖得主,科学家,2018年

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