诺贝尔物理学奖得主Arthur Ashkin去世,他发明了“激光镊子”,曾抱怨被诺奖遗忘

百家 作者:量子位 2020-10-10 12:22:25 阅读:141
贾浩楠 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

9月21日,2018年诺贝尔物理学奖得主,Arthur Ashkin在美国新泽西的家中去世,终年98岁。

昨天,他的亲属向外界确认了这个消息。

图源:诺贝尔奖官网

Arthur Ashkin最重要的研究成果,就是发明了从物理学到生物医学等各个领域都广泛使用的工具“激光镊子”。

他的故事十分传奇,参与过美国核武器研究、诺奖灵感来自无意听到的对话,后来却被同组华人科学家“抢”走了诺奖……

这位为广大科研人员提供“生产工具”的Arthur Ashkin,有着怎样的人生经历?

放弃核武器,转投激光研究

1922年9月2日,Arthur Ashkin出生于纽约布鲁克林区。

Ashkin家是来自乌克兰的犹太裔移民。

二战期间,阿什金在哥伦比亚大学实验室工作,为当时美军用的军用雷达开发了一种磁控管。

1947年,他从哥伦比亚大学毕业,获得物理学学位。

Arthur Ashkin的哥哥,Julius Ashkin,也是一位核物理学家,当时服务于美国的核武器研究——曼哈顿计划。在兄长的引荐下,Arthur Ashkin也加入了曼哈顿计划。

当年参与美国核武器研发的不少科学家,都为开发毁灭性武器而自责,其中最著名的是曼哈顿计划的总负责人奥本海默。

在美国对日本使用核武器之后,他在国会发言:“我的双手沾满鲜血……”

而Arthur Ashkin也在1952年完全退出了曼哈顿计划,但他的理由,并不是人道主义。

因为他的哥哥太过优秀,Arthur总觉得自己活在兄长的光环下——“我被称为阿什金的弟弟阿什金”。

于是,小阿什金决定转换领域。

1952年获得康奈尔大学的博士学位后,Arthur Ashkin加入贝尔实验室,研究微波。大约十年后,他开始专注于激光和非线性光学,并且一直在这个领域探索,直至1992年退休。

Arthur Ashkin的主要科研、职业生涯全部在贝尔实验室度过。

1963-1983年,他担任贝尔实验室激光系领导,他最重要的“激光镊子”成果,就是在这期间取得的。

“偷听”来的诺奖灵感

Arthur Ashkin获得诺奖的研究成果,是发现了激光对微观物体的捕捉现象。

并在此基础上发明了“激光镊子”,准确的说,是“光阱”。

激光镊子可以捕捉、移动小至原子,大至细菌微生物的物体,如今广泛运用在物理、生物医学等等广大研究领域。

而Arthur Ashkin的灵感来源,却是一次偶然“偷听”到的对话。

1966年,他作为贝尔实验室激光研究部门的负责人,去凤凰城参加一个科学会议。

在那里,他偶然听到两位研究人员讨论激光的一些奇怪性质:激光束中的尘埃颗粒会来回乱窜 。

这个时候,激光还是一个新东西,6年前才刚被发明出来。

这两位研究人员认为,造成尘埃位移的原因可能是“光压”(light pressure)

这里解释一下,光压是指光照射到物体上对物体表面产生的压力,可以通过光的电磁理论或光的量子理论计算大小。

这番讨论引起了Arthur Ashkin的注意,回到实验室后,他做了一系列实验和计算,证明光压并不是引起微粒位移的原因,真正的原因是热辐射。

他用一个及其微小的透明玻璃球做实验。激光的光子通过这个球体,确实能够把它推来推去。

但出乎意料的是,球体却被“吸”在了激光束的中心。

其实这个现象用最简单的动量守恒就能解释:当光子穿过球体并被它偏转时,球体也向相反方向移动。由于光束中心有大量光子,球体因此被驱使着向中心移动。

Ashkin当即意识到,通过两束相互指向的激光束,可以捕捉微小的物体,并操控其移动。1970年,他将这一里程碑式的发现发表在物理学顶级期刊PRL上。

1980年,他又提出了一种利用光学陷阱来测量电子电荷的方法。

之后的1986年、他与贝尔实验室的同事,主要是美籍华人科学家朱棣文,完成了激光镊子的第一次实际应用,实现了对原子的捕获。

随后,Arthur Ashkin又将这个新技术用于生物科学领域。他开始尝试用激光捕获活着的微生物,1987年发表了相关结果。

他开创的所谓”细胞内部手术”,可以激光诱捕器在细胞内抓取并移动细胞核和叶绿体等大型细胞器。为生物医学研究手段进步作出巨大贡献。

而Arthur Ashkin后来透露,激光捕获微生物,其实也是一个“偶然”的发现。当时在一个实验运行一夜后,他意外地在光束穿过的器材上发现细菌也被困住了。

尽管“偶然性”在Ashkin的研究中扮演重要角色,但“激光镊子”的重要性却是里程碑式的,诺贝奖委员会根本无法忽略。

但是,第一个因为激光捕获技术获诺奖的,却不是Arthur Ashkin本人。

“诺奖将我遗忘了”

1997年,Arthur Ashkin当年在贝尔实验室的主要合作伙伴,也是首次实现激光捕获原子的主要研究者,美籍华人科学家朱棣文博士,获得当年诺贝尔物理学奖。

朱棣文博士获奖的理由是:发明了用激光冷却和俘获原子的方法。

结果出来后,Arthur Ashkin在接受纽约时报采访时十分不高兴,认为“自己被诺奖遗忘了”。

但是,2018年终于获得这个早该得到的物理学奖后,Arthur Ashkin却表现很平淡,他说:“很早就不纠结奖项和荣誉了,正在写新论文,不想庆祝旧的东西。”

纵观激光辐射压力之父Arthur Ashkin博士的一生,获得了许多该领域的“第一”:第一个观察到原子上的光学梯度力、第一个对原子进行激光冷却、第一个观察原子光学俘获。

基于这些研究,Ashkin 将这项工作扩展到捕获和操纵细菌,病毒和细胞等生物材料。Ashkin利用“光镊”探索细胞内部,操纵其内部结构,并为理解人体正常和患病状态的新方法奠定基础。

退休后,Arthur Ashkin的研究兴趣转向了太阳能,实验室也变成了自家地下室。

他还曾半开玩笑说,自己关于太阳能的研究再获一次诺贝尔奖也没问题。

参考链接
https://www.washingtonpost.com/local/obituaries/arthur-ashkin-nobel-winning-physicist-who-trapped-molecules-with-light-dies-at-98/2020/09/28/0b0f95ac-00cf-11eb-b7ed-141dd88560ea_story.html

https://www.nytimes.com/2020/09/28/science/arthur-ashkin-dead.html

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2018/ashkin/facts/

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