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【大话时事】2018诺贝尔物理学奖,伟大的发明如何改善我们的生活?

2018-12-13
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说起本周科技圈最吸引人的大事,那就非诺贝尔奖颁奖礼莫属了,毕竟,如此大规模聚集那么多科学家、学者的盛事,一年也就这一次了!


作为各自领域的佼佼者,诺贝尔奖得主常被视作站在“巅峰”的人,这种赞誉在肯定他们贡献的同时,也无形中拉开了他们与现实生活的距离,仿佛这些人真的是不食人间烟火的大神,仿佛他们的研究都是九霄云外的奇谈。


例如,今年的诺贝尔物理学奖就颁发给了三位科学家:发明“光学镊子技术”阿瑟·阿什金,共同发明“啁啾脉冲放大技术”杰哈·莫罗唐娜·斯特里克兰。是不是感觉这几个人不光名字陌生,连研究的东西都看起来十分玄乎,好像真的与我们的生活差了十万八千里。然而,事实真的如此吗?




首先要说的这项成就来自阿瑟·阿什金,他是提出光镊理论的第一人,也是迄今为止年龄最大的“诺贝尔奖”获得者。


看到“光学镊子”这个名词,很多人可能会疑惑——看得见摸不着的光,也能成为“镊子”吗?答案是肯定的,因为光有“光力”。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



而光学镊子便是利用了光的这一性质,通过高度聚焦的激光束,人们可以操纵微米、甚至纳米量级的介电质颗粒,这使得人们能够在不破坏活体细胞的前提下去检测和操控它们。



虽然是物理学领域的重要成就,但光镊技术真正大显身手的地方是在生物领域,尤其是对细胞和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。就在今年,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纺锤体的排列。



这把“镊子”推动了许多科学研究的应用,最近的进展便是光学全息术,这种技术可以允许上千把光学镊子同时工作,从而达成从感染细胞中分离出健康血细胞的目的,可以广泛应用于对抗疟疾的研究中。



自激光技术发明以来,人们就一直在追求能量更强的激光,然而,当激光脉冲的能量越大时,其时间尺度越短,峰值功率越大,这就导致在提高峰值功率上遇到了瓶颈——峰值功率过大,极易破坏放大器材;但如果时间太短,又不利于吸收放大器中的能量。



面对这种难以突破的窘境,杰哈·莫罗唐娜·斯特里克兰想到了一种解决的办法: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。由于这一过程会使脉冲反复经历特定的音频,发出宛如鸟鸣的啁啾声,这项技术便被称为啁啾脉冲放大技术。



这项技术的发明直接推进了人类光学研究的进程,当今世界所有的大峰值功率激光器,都用到了这种放大技术,并且在这项技术的基础上,他们开发出了一种只持续十亿分之一秒的强烈激光脉冲。这也是脉冲最短、强度最高的激光。这种激光使人们可以钻出足够小而精确的孔,使精密手术成为可能。



在这之中,最为人熟知且受益者最多的便是Lasik眼科手术。这种手术的原理便是用极其精密的微型角膜板层切割系统,将角膜表层组织制作成一个带蒂的圆形角膜瓣,翻转角膜瓣,并在计算机控制下,用准分子激光对瓣下的角膜基质层拟去除的部分组织予以精确气化,然后于瓣下冲洗并将角膜瓣复位,以此改变角膜前表面的形态,调整角膜的屈光力,达到矫正近视、远视或散光的目的。



在医学领域,超短超强激光可以产生新的成像技术,其产生的高能量质子束、高强度X射线可用于癌症的早期诊断与治疗;在工业领域,特殊材料的高精度加工,诸如手机屏幕的切割等都需要用到超快超强激光,啁啾脉冲放大技术为我们带来了更快的电子产品、更高效的太阳能电池、更好的催化剂、更强大的加速器等等。


这两项发明彻底改变了激光物理学,他们为全世界的科学家提供了全新的技术手段,人们得以借助这些技术观测微观物质、制造精密仪器设备,并最终应用到我们身边。

 

很多科学家的贡献都是如此,他们看起来很遥远,但其实,这些技术都在离我们不远的地方,悄悄改变着你我的生活。


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