物理学家阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)于9月9日去世,他因发现如何利用光的力量捕捉微观物体进行更近距离的研究而获得2018年诺贝尔奖,他将自己的发明称为光镊子。21岁时,他在新泽西州拉姆森的家中,享年98岁。
光镊子-或者更确切地说是光学陷阱-利用高度聚焦的激光束的压力来操纵微观物体,从原子到活的有机体,比如病毒和细菌。
正如诺贝尔委员会所写的那样,阿什金博士“发明了用激光束手指抓取粒子、原子、分子和活细胞的光学镊子”。
诱捕生物材料被证明在研究和理解生命的基本构件,如DNA和其他生物系统的行为方面具有开创性的实际应用。今天,光学镊子被广泛制造并出售给研究人员。
阿什金博士的“镊子”是由一束激光--一束相干的单色光--通过一个微小的放大镜产生的。透镜为激光创造了一个焦点,由于大自然的一种奇怪的扭曲,粒子被吸引到这个焦点附近并被困在那里,不能上下或后退或向前移动。
斯坦福大学(Stanford University)生物学和应用物理学教授史蒂文·M·布洛克(Steven M.Block)将光镊子与“星际迷航”(Star Trek)和“星球大战”(Star Wars)中假设的那种固定技术相提并论,称它们是“人类制造出的最接近拖拉机光束的东西”。
1966年,当他去凤凰城参加一个科学会议时,他是贝尔实验室(Bell Labs)激光研究部门的负责人,贝尔实验室是1925年由贝尔电话公司(Bell Telephone Company)创立的传奇新泽西州实验室。在那里的一次讲座中,他听到两名研究人员在研究六年前发明的激光时发现了一些奇怪的东西:他们注意到激光束中的尘埃颗粒来回摆动。他们推论说,轻微的压力可能是起因。
阿什金博士做了一些计算,得出结论,这不是原因--很可能是热辐射。但他的作品重新燃起了童年时对轻压力这一主题的兴趣。
光推动一切事物,包括人,因为它由称为光子的微小粒子组成。大多数时候,压力是微不足道的;例如,人们感觉不到任何东西。但阿什金博士认为,如果物体足够小,可以用激光把它们推来推去。
他用一个微小的透明玻璃球进行实验,激光的光子可以通过它,并发现他确实能够推动它。但出乎意料的是,球体被吸引到光束的中心,在那里它被困住了。
这其中的原因与物理学中一个不变的定律有关:动量守恒。当光子穿过球体并被其偏转时,球体向与偏转的光子相反的方向移动。由于光束中心有更多光子,球体被推向中心。
阿什金博士意识到,通过使用两束相互对准的光束,就有可能捕获微小物体并移动它们。1970年,一篇关于他的发现的里程碑式的文章发表在“物理评论快报”上。
阿什金博士和他在贝尔实验室的同事们继续研究这个课题,1980年,他想出了一种使用光学陷阱来测量电子电荷的方法。
然后,在1986年,他和几位同事,特别是朱,实现了光学镊子的第一次实际应用,他们通过透镜发送激光来操纵微观物体。他们的研究结果发表在“物理评论快报”的另一篇论文上。朱博士开始使用镊子来冷却和捕获原子,这一突破使他在1997年获得了诺贝尔物理学奖的三分之一。
很明显,阿什金博士对诺贝尔委员会没有认可他在颁奖过程中的基础性工作感到恼火。但他已经开始将镊子用于不同的目的:捕捉活的有机体和生物材料。
其他科学家认为这一应用不会奏效,正如他在2018年获奖后接受诺贝尔研究所采访时所解释的那样。
“他们用光来治愈伤口,这被认为是致命的,”他说。“当我描述用光捕捉生物时,人们说,‘不要夸张,阿什金。’”
阿什金博士能够捕捉到的东西包括单细胞草履虫的亚细胞结构和一种攻击烟草植物的小型病毒。通过他的捕获方法,也可以观察到DNA的复制。
阿什金博士获得了2018年物理学奖的一半,与法国的热拉尔·穆鲁(Gérard Mourou)和加拿大的唐娜·斯特里克兰(Donna Strickland)分享,这两人分别获得了四分之一的奖金。在这样做的过程中,96岁的他成为当时年龄最大的诺贝尔奖获得者。(次年,97岁的约翰·B·古德足够获得诺贝尔化学奖。)。
由于无法出席在斯德哥尔摩举行的诺贝尔奖颁奖典礼,阿什金博士在新泽西州的诺基亚贝尔实验室发表了他的诺贝尔演讲。
亚瑟·阿什金出生于9月1日。1922年2月2日,在布鲁克林,伊萨多·阿什金和安娜·阿什金的四个孩子中的一个,他们有乌克兰犹太血统。他的哥哥朱利叶斯也成为了一名物理学家,并在曼哈顿计划中发挥了重要作用,曼哈顿计划是第二次世界大战期间研制原子弹的秘密努力。
从詹姆斯·麦迪逊高中毕业后,亚瑟跟随朱利叶斯来到哥伦比亚大学。他在哥伦比亚辐射实验室工作,研究磁控管,磁控管产生微波,是激光的先驱。当时,另外两名未来的诺贝尔奖获得者正在实验室工作。
阿什金博士于1947年从哥伦比亚大学毕业,在康奈尔大学学习核物理,在那里他与汉斯·贝斯(Hans Bethe)和理查德·费曼(Richard Feynman)共事,这两人都是未来的诺贝尔奖获得者。他于1952年从康奈尔大学获得博士学位后加入贝尔实验室,并在那里工作到1992年退休。他从1963年到1987年领导实验室的激光科学部。
除了光学镊子,阿什金博士还被誉为发现了光折变效应,这种效应暂时改变了材料,特别是晶体,散射或弯曲光线的方式。这种效果的实际用途包括创建临时全息图。科学家们认为,这可能会导致功能更强大的计算机,使用光而不是电来存储数据。
阿什金博士拥有47项专利,并于2013年入选国家发明家名人堂(National Inventors Hall Of Fame)。
除了女儿朱迪思,他在世的亲人还有妻子阿琳·阿什金(Aline Ashkin),她曾是一名高中化学教授,教过贝尔实验室员工的许多孩子;他们的儿子丹尼尔(Daniel)和迈克尔(Michael)是一名艺术家,他的作品曾在纽约惠特尼美国艺术博物馆(Whitney Museum Of American Art)的双年展中展出;五个孙辈;以及两个曾孙辈。
阿什金博士从贝尔实验室退休并没有阻止他继续他的研究。当他收到诺贝尔奖的消息时,他正在他的地下室里做一个改善太阳能收集的项目。当被问及是否会庆祝时,他说:“我现在正在写论文。我不是在庆祝古老的东西。“