九旬美国物理学家阿瑟·阿什金获得 2018 年诺贝尔物理学奖如何理

  九旬美国物理学家阿瑟·阿什金获得 2018 年诺贝尔物理学奖,如何理解他的研究成果「光镊」技术?

  本题已收录至知乎圆桌 »2018 诺贝尔奖巡礼 ,更多「诺贝尔奖」相关话题讨论欢迎关注。阿瑟·阿什金 (Arthur Ashkin) 因为发明「光镊技术」(Optical Tweezer),独享一半奖金。 相关问题: 获得 2018 年诺贝尔物理学奖的「光镊」的前沿技术和未来发展取向有哪些?

  今年诺贝尔物理学奖的结果揭晓之后,各路观察家都表示没有想到,绝对堪称“黑马”“大冷门”,很多科研界人士甚至压根没听说过这几种技术。不过,在各自的专业领域,它们都已经是科学家们非常仰赖的工具了。

  这两项成果虽然都归属于激光研究领域,但彼此仍然有着较大的区别。其中的光镊虽然内涵深奥,但其实稍加简介就能让普通人建立概念。

  今天,我们就先试着让大家了解一下这个能够以光的力量来操纵细胞的诺奖成就。

  伴随着上世纪60年代以来激光束流相关的产生、控制技术的进展,利用光来操作微小物体的“光镊”随之登上了历史舞台。阿瑟·阿什金教授曾在贝尔实验室和朗讯科技公司任职,他很早就开始进行光操控微粒的研究工作,并最终于1986年公开了他的第一代光镊。

  大家都知道光可以协助动物产生视觉,可以为植物提供能量来源,可以加热物体,但是对“光的力学领域”可能并不熟悉。实际上,光镊正是利用了“光的力”(Photon force/ radiation pressure,可以译为光压、辐射压等等),并诞生了举世瞩目的成果。

  中学物理中,我们已经了解了光同时具有波和粒子的双重性质,所谓波粒二象性。与人体被飞来的棒球击中后产生冲击一样,光的粒子即光子在接触物体后,同样会对该物体施加力的作用。

  你可能会感到奇怪,既然如此,我们为什么没有被强烈的日光或者探照灯击倒在地呢?

  这是因为,光的压力大概仅仅在10亿分之一到100亿分之一N这个数量级,所以说能用肉身感受到光压的人显然是不存在的。

  然而,越是微小的物体,就越容易被微小的力所撼动。例如,红血球、细菌一类人体细胞或者微生物等等都对光压非常敏感。来自光的微小压力可以让微小的物体在不受到积压破坏的前提下进行移动。

  照明光路负责采集成像所需的信号,而控制光路用来控制和限制微小物体的运动。控制光路的核心是汇聚性能特别好的激光束发射系统。

  激光的特性之一就是可以被汇聚到一个十分微小的光斑上,这是普通光源所无法实现的。

  对于所要操控的微小物体来说,这种激光束汇聚形成的强聚焦光斑会形成一个类似“陷阱”的机构(称为三维光学势阱),微粒将会被束缚在其中。

  一旦微粒偏离这个“陷阱”中的能量最低点(即位置的稳定点),就会受到指向稳定点的恢复力作用,好像掉进了一个无法摆脱的“陷阱”一般。如果移动聚焦光斑,微粒也会随之移动,因此便能实现对微粒的捕获和操控。

  光镊技术在生物学研究领域已经有了相当广泛的应用,例如将不同细胞挤压在一起,或者向细胞中注入微量物质或者微小物体一类场合,都是光镊大显身手的时机。

  又比如,在环境科学领域,经常会有区分水中数种微小物体的需求,利用光镊可以将各种物质在无损条件下容易地分离,给之后的精密分析创造良好的条件。

  此外,在操控的同时,鉴于激光波长良好的稳定性和高精度,光镊还可以同时获得大量空间测量数据。

  一个有趣的应用实例就是,有研究人员利用光镊测量了驱动蛋白在微管上行走的距离数据,从而推算出驱动蛋白每走一步的能量正好相当于一个ATP水解所释放的能量,堪称光镊操控性和测量性结合的绝好案例。

  其实,直到笔者打出“光镊”两个字的时候,搜狗输入法还没有录入这个词组……相信对于绝大多数人来说,光镊都是一个相当陌生的概念。光镊技术所代表的一系列微操控技术,的的确确为人类在诸多领域带来了极为便利的工具。此番斩获诺奖,虽然出乎大多预测所料,却也名副其实。相信随着诺贝尔奖的颁发,光镊技术必然会在世界范围内掀起一股科普风潮。

  博士研究了数年的光镊,一直觉得自己研究不像材料方向既非主流也不热门,毕业后工作似乎也难找。但今年竟然获了诺贝尔奖,从未感到诺奖距离自己如此之近,感动的老泪纵横,也来凑个热闹,批判的发几句牢骚。谈一谈光镊的瓶颈与缺点。

  先来说下光镊的理解,光镊的本质就是一个镊子或者说是筷子,是个工具而已。还记得复仇者联盟里灭霸团队枯木候第一次攻击地球时,用飞船射出一束光把奇异博士抓获,用的方法就是光镊。

  原理简单说就是透明物体在一个不均匀的光场下,起主导作用的光场梯度力(Gradient force)会将其推到光强最强的地方,这就是为什么需要高数值孔径的透镜来产生一个中心点光强最强,且梯度很大的光场,来抓住这个透明的球,如下图:(具体光动量原理什么的可以自行搜索,很多ppt讲得很好)

  光镊可以非接触,无损伤地操纵活体物质,并且它产生的皮牛(PN)数量级的力适合于生物细胞、亚细胞以及原子物理的研究。但传统光镊也有许多局限性与难点:

  所以现在主要的研究方向之一就是怎么样克服这些局限啦,所以有一大堆文章告诉你他们的解决方法。

  对于前5个问题,利用金属纳米结构的表面等离子体共振SPR(可参考这个回答,等离子体和表面等离子体是什么关系?) 可以很好的解决,简单来说,金属纳米结构在外界光激发下,可以产生一个纳米尺度的梯度场,把光局域到纳米尺度。前文说过颗粒会被抓到光强最强的地方,所以利用它不仅可以声称突破了衍射极限,而且极大降低了光镊所需的光功率密度。纳米光镊方向的研究很多,认真搞搞也很容易发Nature,而且画一些酷炫的图片就更容易发了,例如下面:

  研究方向之二就是怎样花式抓球,在光纤头上抓(例如现在暨南大学的Li Baojun课题组);抓了球然后然操纵转起来(像耍杂技);设计各种纳米结构抓;借助热泳抓(CUHK Aaron group);借助电泳抓(斯坦福的Jennifer A. Dionne group);或者把颗粒抓起来拼成一些图案 。

  尽管光镊来说,研究怎样抓的更fashion,抓的更快,抓的更开心,或者在活体中抓,抓更难抓的物体(例如金属纳米颗粒,由于其更小,散射力更强)或者是抓单个颗粒,有很多可以灌水的方向。但坦白讲,抓住了有什么实际意义么?就像我们吃饭,用筷子抓起来一个块肉不吃,或者随机抓起来桌子上的食物,却不知道干啥,这是没有任何意义的。

  如果说有意义的研究是啥的话,我觉得是颗粒的分类(sorting),但目前来看,要想单纯用光镊实现选择性捕获或者分类还是比较困难的。

  所以在应用方面,光镊虽然获得了诺贝尔奖,但大都停留在生物或者原子物理的科研应用上。还是缺少一个killer application以及更加广泛的应用 。虽然Thorlab,荷兰Lumicks m-Trap,以及硅谷的一些企业已经有些光镊产品,但都是很边缘化的,对公司来说,仅仅适合在展会上展览,特别是再加个Ipad操纵,会很有feel,可以显示高超光学设计实力。

  2018年年初的一篇文章将光镊应用到了裸眼3D显示方面,让人眼前一亮,被光镊捕获的颗粒作为空间中全息图像像素,通过发光颗粒的移动来显示三维图像,不用观察者佩戴设备,随便多少人多近距离看都没问题,因为它是真实存在的发光微粒,实现了“线D图像,如下图所示,简直太酷了。

  简单介绍一下我们的研究,主要是应用光热效应的热泳力辅助进行光镊捕获。下面视频显示的是光纤纤芯的光镊将带有绿色荧光的细胞,抓到纤芯处又被释放的过程。

  还有墨尔本大学物理系的朋友Dr. Xu最近的大作,精准地操控了小至20nm的颗粒球,并对其中的物理进行了详细的研究。

  最后给我们组做个广告,香港中文大学生物医学工程系何浩培组,人非常nice,帅气英国绅士感觉,很为学生考虑的老师。组内气氛融洽欢乐,欢迎申请。

  Arthur Ashkin被许多人认为是光镊之父, 是激光科学的巨头之一。在过去四十年的贝尔实验室辉煌职业生涯中,Ashkin创造性的提出了如何使用激光推、拉和夹取微小的物体,如小介电粒子,细胞和像DNA这样的生物分子。

  在他最著名的实验中,Ashkin与Steve Chu(朱棣文,第四位荣获诺贝尔物理学奖的华人)和其他合作者一起使用光线冷却并捕获了单个原子。

  Ashkin出生于1922年,在纽约布鲁克林长大。大学时候,他考入了哥伦比亚大学,在那里他曾经为美国军方的雷达装置建造磁控管。

  Ashkin大二的时候二战爆发,他被征召服役。不过幸运的是,当时他的主管Sid Millman非常欣赏Ashkin的才华,利用影响力把Ashkin安置在“预备役”中,让他在整个战争期间继续在实验室工作,远离了战争。

  战争结束后,Ashkin的兄长(另一位Ashkin, 核物理学家,曾与Richard Feynman和Hans Bethe共同参与过曼哈顿计划)建议Ashkin前往康奈尔大学。当时Ashkin听从了他兄长的建议,前去与兄长团聚。

  康奈尔时期,Ashkin也曾和他的兄长一起研究过核物理,但最终还是选择放弃这个方向,因为他的兄长已经太知名了,年少气盛的Ashkin不愿意活在兄长的阴影之下。

  差不多同时期,有恩于他的Millman搬到贝尔实验室,当时的贝尔实验室还没有没落,依然是基础科学研究的重要堡垒(微波激射器的发源地)。由于Ashkin出众的才华,当他完成博士学位后就得到了Millman的邀请,并于1952年开始在新泽西州默里山的贝尔实验室研究微波。

  1961年,Ashkin开始转向激光器研究,并研究参量振荡器和光纤的非线性特性。

  Ashkin最大的成就是研究光辐射压力 --- 他认为光和其他形式的辐射可以对物体施加力。

  1967年,当他搬到贝尔实验室的另一家工厂Holmdel之后,发现激光束可以将小(微米级)乳胶球推入水中。他还发现球体会从光束的边缘被拉到中心,这样很便于诱捕。当Ashkin从另一侧将第二束聚焦在球体上时,两束光束将球体全部固定在适当的位置,这是第一个光镊。

  Ashkin的梦想是用光捕获原子,但是这出现了一个非常重要的问题,原子很难冷却。

  了解到这种新技术之后,Ashkin,Steve Chu和他们的其它合作者在1984年开始实验,试图冷却和捕获一组原子。

  最终这项实验成功地将一组500个钠原子冷却至300微开尔文,持续数秒钟。

  然后,他们又进行了另一项实验,尝试使用磁光陷阱(Magneto-optical trap)捕获冷却的原子,其中所用到的激光束通过透镜聚焦。

  该小组在1989年的Physical Review Letters上发表了这一更加爆炸性的成果和本文中的第一张图片。那是世界上第一个稳定的三维原子光镊。

  此后,Chu用冷却后的原子创造了一个“原子喷泉”,用来大大提高原子钟的准确性和重力加速度的实验测量精度,并最终获得1997年诺贝尔物理学奖。

  在同事们因光镊疯狂收获诺贝尔奖的同时,Ashkin专注于探索如何使用光镊完好的捕捉和研究各种生物,包括烟草花叶病毒,各种细菌和红细胞。他用光镊操纵细胞的细胞质和细胞器来探测细胞结构,这种实验被称之为“一种内部细胞手术”。

  Ashkin开发的光镊技术导致了生物物理研究的爆炸式增长,推动了越来越精确的微小生物系统的测量和操作。研究人员利用光镊研究了负责细胞内运输的分子马达运动(今年诺奖大热门之一),并观察了RNA分子在DNA模板上的运动,其分辨率比光学显微镜可达到的分辨率小数百倍-不到1纳米 。

  而其他研究小组使用光镊测量细胞内组分(如微管和肌动蛋白丝)的机械性质,发现新物种,并研究了传染病生物如何攻击健康细胞。

  “我认为可能会因为光镊的伟大工作而获得诺贝尔生物学奖,”Ashkin说。他在1997年写的评论文章描述了这项工作的大部分内容。

  Arthur Ashkin于1992年从贝尔实验室退休之后在家里建设了个实验室,这个实验室配备了足够多的基础科研设备,以保证他能随时验证想法,直到今天仍然存在。

  在他的学术生涯里,Ashkin赢得了很多奖项和荣誉,包括OSA,APS,IEEE和AAAS的fellow等。

  此外,Ashkin还拥有47项专利,并且刚刚提交了两项太阳能的设备专利申请。

  第一个出人意料的点是,奖发给了三个人,但不是同一领域的,而是分属两个领域……不知道之前是否有过这样的先例……

  第二个让我惊讶的点就是诺奖颁给了光镊技术……之所以会惊讶,是因为首先这是一项技术,并不是巨大的理论革新,按照以往的诺奖经验来看,颁发给技术向的物理学奖一般都是在生活中已经产生巨大影响力的那种类型,例如之前的蓝光二极管。虽然我也很看好光镊以后的实际应用前景,例如微型分拣和装配流水线之类的,但光镊目前还是实验室应用比较多,离大众相对较远。

  其实两三年前我曾经写过一篇关于光镊的科普文章:科普聊一聊那些“隔空移物”的光学魔法,全文如下:

  2005年上映了一部评价极佳、趣味十足的科幻影片,叫做《银河系漫游指南》。这部电影的开头,是一个关于强拆的故事。主人公阿瑟的房子因为修建公路要被拆掉,与此同时,地球因为银河系要修建空间高速公路,也要被摧毁。于是阿瑟在外星朋友福特的帮助下,在最后一刻搭便车登上了一艘宇宙飞船,开启了银河系冒险之旅。而他们登船的方式,就是通过一束光。

  无独有偶,2010年美国上映了一部评价不是那么好的科幻电影,《天际浩劫》。影片中,外星人通过一束蓝色的光将地球上的生物体吸入飞船内,要来毁灭我们的文明。

  其实,关于此类幻想,自古以来就没断过。尤其是上世纪我国兴起气功热之后,关于气功大师能够隔空移物的报道就络绎不绝。不少人宣称自己有这方面的“特异功能”,可以利用“真气”移动物体。后来这些大师被媒体陆续打假,有的是利用电磁开关诈骗钱财,有的压根就是玩的障眼法。看着他们一本正经地胡说八道,真是有种既好笑又可怜的复杂情绪。

  不过,古代的很多幻想,随着科技的发展逐渐成为了现实。例如,“点石成金”之术以前被认为是神仙法术,现在我们知道,这本质上就是元素的变化,属于核物理学范畴,或许可以通过高能物理改变原子核构造来实现。虽然目前还做不到真的“点石成金”,但至少理论上看到了希望。

  同样,利用光来实现“隔空移物”之术,也不再是电影中的空谈,近年来得到了理论和实验的验证,科学名词叫做“光镊(Optical Tweezers)效应”。我们都知道,光子虽然没有静止质量,但是有动量和能量。因此光照射在物体上,也是会有力的作用的。而且同样遵循我们熟悉的力学物理定律,即作用力与反作用力。所以不少科幻小说中会构想利用一面巨大的太阳帆,让光施加压力使得飞船源源不断地加速,最终可以实现超高速飞行。

  光镊的基本原理与光的作用力有关,大概就是这个样子的(此部分涉及一点力学分析,读理科的同学感兴趣的话可以看看,读文科的同学若是看不懂也实属正常,随便跳过只要看一眼结论就可以了):

  以一束聚焦光束为例。图中光聚焦后,焦点后有一个透明的小球,折射率大于周围环境的折射率,因此圆锥形光束通过小球后,会向内产生偏折。我们刚才提到过,光的作用力也是有反作用力的,小球使得光产生了向内侧的偏折,光自然会对小球产生反向的作用力,而反作用的方向如下图中虚线所示。图中所示的仅仅是一个剖面而已,实际空间中的虚线是一个立体的圆锥,合起来的力会把小球推向光束的焦点位置。

  因此我们可以得到一个结论:聚焦光束会对焦点附近的物体施加力的作用,就像用镊子把物体夹紧一样,光镊效应会使物体被锁在焦点处,实现隔空移物的操作。

  以上只是一个非常粗糙的最简形式的力学分析,让大家明白这个直觉上有些难以理解的结论其实恰恰是符合日常的力学规律的。实际上光镊效应所需要的是一束高斯分布的强光束提供梯度力,日常光束难以满足需求。而激光的出现让这个问题得到了解决,使得光镊技术正式成为了一项实用化的微操控技术。

  例如,2002年美国科学家利用光镊技术对一系列微米量级的小颗粒进行了移动操作。科学家们将这些直径为0.99微米的硅胶小球进行了多种形状的排布,都轻松实现了设计的外观。只见小伙伴们一会儿排成直线,一会儿排成圆形,好不快活。上述截图来自文献《Dynamic holographic optical tweezers》。

  若是你以为光镊仅能排布一下小颗粒,那就大错特错了。由于光镊技术是一种非接触式的操控技术,不会对物体造成机械损伤,因此目前光镊技术已经广泛应用在细胞操纵领域。

  上图是文献《Optical tweezers for single cells》的截图。科学家将细胞两侧分别粘上一粒石英微珠,直径4.9微米。其中左侧的石英珠被固定到玻璃上,相对另一侧的石英珠利用光镊控制住,然后两侧开始向外拉扯……图a是初始形态的示意图,圆滚滚的球形。图b就是拉扯后的示意图,都成了梭子了……图c中是实验中显微镜拍摄的照片,从0pN增大到29pN,再增大到67pN,最后到达109pN。看完这幅图,不禁想求细胞内心的阴影面积。

  从刚才的实例也可以看出,目前光镊能够提供的力度还是非常小的。数学上1pN=10^-12N,高中时候我们学过,两个鸡蛋的重量约为1N,因此1pN差不多就是把两个鸡蛋平均分成一万亿份,取出其中一份的重量。再想想你有多少个鸡蛋重呢?

  所以目前光镊主要用于操控微米量级的超小物体,对单细胞进行一下操作还是可以的,想要实现电影中把人牵引起来的状态,还任重而道远。

  说完了“光镊”,再来说一说“光学扳手”。既然我们已经可以利用光把物体锁在固定的位置了,那么若是将光旋转起来,不就可以让物体也跟着旋转了吗?

  这是个很简单但很可行的方法。因为科学家发现,的确有一种光束是旋转的,叫做“轨道角动量(Orbital Angular Momentum, OAM)光束”。轨道角动量是光子角动量的一种,携带轨道角动量的光束相位是螺旋形的(图片来自维基百科):

  轨道角动量的取值学名叫做“拓扑荷值”,可以是任意的整数,这一点在光通信领域是个巨大的优势。实际上目前最为前沿的量子通信领域中,就利用到了包括轨道角动量纠缠在内的多种光子纠缠。

  还是回到正题。轨道角动量光束的拓扑荷值越大,意味着光束旋转的越快。将这种光束聚焦后,在实现光镊效应的同时,还会使物体产生旋转的扭矩,就像有一个扳手在扳动物体一样。不过与光镊类似,光学扳手能够提供的力也是pN量级的,要想指望一束光把人给翻个跟头,还是只能在电影和小说中呢。

  总之,光学中的很多现象与性质是非常神奇的,在科学家的努力下,“隔空移物”的魔法也正在一步步实现。

  不过现在看来…就是BE那套东西,加上极化,梯度力啊…老陈套我都看吐了。觉得没新意也没啥子物理啊…个人提不起兴趣来。

  Ashkin发明的光学镊子使用激光光束来抓取粒子,原子以及分子。它们可以用来检验和操控病毒,细菌和其他活细胞而不会对其造成损伤。至此,观察和操控生命体系的崭新工具被创造了出来。

  Ashkin 开发的光镊技术导致了生物物理研究的激增, 从而产生了越来越精确的测量和小生物学系统的操作。研究人员研究了负责细胞内转运的分子马达的运动, 观察了 RNA 分子在 DNA 模板上的运动, 在不到一次纳米级的分辨率上优于光显微镜。其他组使用光镊测量细胞内成分的力学特性, 如微管和肌动蛋白花丝, 发现新的物种, 并研究传染病有机体如何攻击健康细胞。Ashkin 说: 我认为, 在生物学上, 有可能获得诺贝尔奖, 这项伟大的工作是用光学镊子完成的。他在1997年写的一篇评论文章描述了这项工作的大部分。Ashkin 还写了一本书, 叫做光阱和用激光操纵中性粒子.

  在 2009年, 他被授予了光学协会的名誉会员资格, 被称为 一个专门为在光学和光子学领域真正有远见的个人精英群体保留的称号。

  “我们在之前预测了20个可能获奖的项目,然而没想到这个变成了今年的物理学奖。”

  这个奖项的颁发会让大众的目光又投向了激光物理学,说不定这两年又要炒热起来。

  激光理疗技术,激光治疗等等都有可能要成为各大商家的宣传必备词语了,就让我们拭目以待吧。

  光镊是由光与物质间动量传递的力学效应形成的三维梯度光学势阱,是对光的势阱效应的一种形象描述。光镊的产生是基于由光动量改变而产生的作用力,利用激光,就可以使这一作用力足够大,从而使得微粒能被加速、减速、偏移,使微粒被引导甚至被捕获。目前主要的理论模型有几何光学(RO)近似模型和电磁(EM)模型。

  几何光学近似模型适用于微粒尺度大于入射波波长的情况。如果在光跨越两种折射率不同的介质的临界面时,光的方向发生变化,它的动量也随之改变。根据动量守恒原理,光子的初末动量的变化量被转移到了微粒上,这样就有一个力作用在微粒上,力的大小为:F=△P/△t。RO模型理论便于分析微粒三维空间受到的应力,进而可以分析不规则微粒受到光阱的应力及其动力学特性。

  电磁模型可以精确分析所有尺度的微粒。EM模型分析光阱力包含三个部分:激光束的电磁场描述、微粒对电磁场的散射求解以及电磁场对微粒的辐射压力的计算。(小声说我没学过这部分内容←_←)

  光与物质相互作用依赖于光场内在的性质,如能量和动量,也依赖于这些物理量的空间分布,如光场的强度梯度等。因此,调控这些光场的性质会直接改变光与物质相互作用的结果。从最基础的单模高斯光束,到涡旋光束、非衍射和自修复光束、自加速光束以及矢量光束等,新型光场可以实现对不同材质、不同大小的微粒多自由度操控,而且通过计算机控制,可以方便地实现实时智能的操控,大大拓展了光镊的应用范围。

  光除了有能量以外还有动量,通过特殊方法操纵光用特定的方式打击小颗粒,控制小颗粒总在固定位置附近不离开,就像镊子一样,这就是光镊

  外国科学家90岁高龄了还搞研究,中国呢?反正我70岁甚至60多岁就想在家养老了,谁还草那个心呢!

  谢谢邀请,没有这方面的知识储备,但是关注着教育方面的点点滴滴。任何一个诺贝尔获奖者的成果必定造福于人类,在某个领域起到引领或推动的作用。值得学习

  谢邀,但我并不具备这方面的专业知识,抱歉不能为解决你的问题出份力(,,•́.•̀,,)

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