諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中的光

2018年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了美國、法國和加拿大的3位科學(xué)家，以表彰他們在激光物理學(xué)領(lǐng)域的突破性貢獻(xiàn)。又一次，光學(xué)研究領(lǐng)域中的科學(xué)家獲得了諾貝爾獎(jiǎng)的青睞。20世紀(jì)初，諾貝爾獎(jiǎng)剛剛設(shè)立，第一個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)就是頒給發(fā)現(xiàn)X射線的倫琴。到目前為止，已頒發(fā)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)中，與光學(xué)直接或是間接相關(guān)的就多達(dá)四十幾個(gè)，這些物理學(xué)獎(jiǎng)恰好也按時(shí)間順序展示了人類在光學(xué)領(lǐng)域研究的成果，展示了人類從認(rèn)識(shí)光到用光打開了新世界大門的光輝歷程。

光學(xué)頻率梳

把光制成一把精密的梳子

2005年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)表彰的一個(gè)主要成就是光學(xué)頻率梳。光學(xué)頻率梳又稱光梳，它擁有一系列頻率均勻分布的頻譜，這些頻譜仿佛一把梳子上的齒或一根尺子上的刻度，可以用來測定未知頻譜的具體頻率。它既能精確地測量光學(xué)頻率，又能提供長度的標(biāo)準(zhǔn)，因而又被稱為“光尺”。

我們知道，時(shí)間是一個(gè)基本的計(jì)量單位，日常生活中每個(gè)人都會(huì)不可避免地與其打交道。一開始，人們僅使用水鐘或者沙漏進(jìn)行簡單的計(jì)時(shí)，后來由于航?；顒?dòng)的需要，人們才對計(jì)時(shí)精度的重要性有了初步的認(rèn)識(shí)。 隨著現(xiàn)代科學(xué)的興起和發(fā)展，時(shí)間的精密計(jì)量也被賦予更高的科學(xué)價(jià)值。一方面新的技術(shù)被用于高精度的時(shí)間計(jì)量，另一方面精確的時(shí)間計(jì)量對基礎(chǔ)科學(xué)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)作用。在1967年的第13屆國際計(jì)量大會(huì)上，人們將時(shí)間單位“秒”定義為“銫133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷所對應(yīng)輻射的9 192 631 770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間”，這一定義下的時(shí)間精度達(dá)到了10-15的量級(jí)。但科學(xué)研究不斷發(fā)展，對時(shí)間計(jì)量的精度又提出了更高的要求。由于時(shí)間周期與頻率互為倒數(shù)關(guān)系，為了進(jìn)一步提高其精度，人們就想到用頻率更高的光波替代微波。光梳技術(shù)的出現(xiàn)，讓時(shí)間精度提高到了10-18的量級(jí)。

除了提高時(shí)間計(jì)量的精度，光梳技術(shù)還大大提高了GPS、深空導(dǎo)航、基本物理常數(shù)測量等的精度，并且已經(jīng)在為人類探索宇宙而服務(wù)了。

光纖通信

讓信息插上光的翅膀

2009年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了“光纖之父”高錕，以表彰他在光通信方面取得的成就。

現(xiàn)如今，大到國家的信息高速公路計(jì)劃，小至街頭巷尾常說的光纖到戶，現(xiàn)代的信息科技已經(jīng)和光通信難解難分。如果沒有光通信，我們將無法享受到上網(wǎng)看各種視頻節(jié)目的樂趣，也享受不到3G、4G，以及即將到來的5G移動(dòng)通信的各種福利。

其實(shí)，根據(jù)光的反射及折射現(xiàn)象，在19世紀(jì)末，美國發(fā)明家貝爾就發(fā)明了“光話機(jī)”。但是人們發(fā)現(xiàn)光線在空氣中傳播了一段距離后強(qiáng)度會(huì)變得很弱，因此這一發(fā)明便失去了實(shí)用價(jià)值。在此之后雖然也出現(xiàn)了多種傳播介質(zhì)，可以讓光線在其中轉(zhuǎn)彎，但強(qiáng)度迅速衰減的問題并沒有得到解決。1966年，高錕發(fā)表了論文《光頻率的介質(zhì)纖維表面波導(dǎo)》，論證了玻璃介質(zhì)能夠完成光線傳播的條件，并首次提出用玻璃纖維作為光傳播介質(zhì)并用于通信的理論。在光通信史上，這是一個(gè)具有劃時(shí)代意義的理論，它成就了后來發(fā)展得如火如荼的光通信技術(shù)。

如今的光通信技術(shù)已經(jīng)十分成熟，在實(shí)驗(yàn)室中，單條光纖數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笏俣瓤蛇_(dá)到26Tbps，這是傳統(tǒng)網(wǎng)線的26 000倍，光纖通信早已成為各種通信網(wǎng)絡(luò)的主要傳輸方式。

時(shí)至今日，全球95%的互聯(lián)網(wǎng)通信量是由龐大的光纜網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)的，它們?nèi)珈`活敏捷的長蛇那樣，在海底曲折蜿蜒。以上海為例，上海電信布設(shè)的光纜網(wǎng)絡(luò)就已超過200萬千米，相當(dāng)于環(huán)繞上海中環(huán)線33 000多圈。毫不夸張地說，當(dāng)你打開任何一個(gè)網(wǎng)頁，或是點(diǎn)擊手機(jī)中任何一個(gè)在線應(yīng)用時(shí)，背后都離不開那一根根比發(fā)絲還細(xì)的光纖。

目前光通信更多用于交流信息和傳輸數(shù)據(jù)，而在未來的5G和萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)世界里，光通信將在人與物、物與物之間的通信中大展身手。

藍(lán)光LED

重新創(chuàng)造了光

2014年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予了3位發(fā)明藍(lán)光LED的日本科學(xué)家。

自從20世紀(jì)60年代人們發(fā)明LED后，紅光LED、綠光LED都很快相繼問世，但藍(lán)光LED卻讓科學(xué)家們努力了30余年。

與紅光LED和綠光LED相比，藍(lán)光LED的技術(shù)難度要大得多。藍(lán)光是光的三原色之一，藍(lán)光LED的缺失使得人們一直無法合成白光LED，這在長達(dá)數(shù)十年的時(shí)間里讓科學(xué)界和工業(yè)界倍受困擾。

如今采用藍(lán)光LED技術(shù)的產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入了全世界的千家萬戶，藍(lán)光LED與紅光LED、綠光LED一起，組成了我們現(xiàn)在看到的五顏六色的LED燈。LED照明的能耗要比白熾燈和日光燈少得多，這不但使得人類節(jié)約了更多的資源，也可能讓一些使用太陽能小型電站電力的地區(qū)實(shí)現(xiàn)照明，全球億萬人將告別沒有燈光照明的時(shí)代。

LED燈已應(yīng)用于生活的各個(gè)方面，愛迪生的白熾燈曾照亮了20世紀(jì)，而21世紀(jì)將被LED的光芒照耀。

光學(xué)鑷子

用光制造工具

2018年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)之一，表彰阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）發(fā)明了用激光束操縱粒子、原子和分子的光鑷技術(shù)，這一技術(shù)可利用激光將小粒子固定在光束中心，從而更好地操縱它們。運(yùn)用光鑷技術(shù)，人們可以操縱和移動(dòng)原子、病毒和其他活細(xì)胞。

如何用光來操縱微小粒子呢？我們知道，光，是一種電磁波，但它具有波粒二象性。與飛來的棒球擊中人體后會(huì)產(chǎn)生沖擊一樣，光的粒子即光子在接觸物體后，同樣會(huì)對該物體施加力的作用。但是光的壓力僅僅在10億分之一到100億分之一牛這個(gè)數(shù)量級(jí)，人體自然無法感受到光壓的存在。但是一些微小的物體，比如紅血球或者微生物卻對光壓非常敏感。

激光的特性之一就是可以把能量匯聚到一個(gè)十分微小的光斑上。對于微小物體來說，激光束匯聚形成的強(qiáng)聚焦光斑會(huì)形成一個(gè)類似“陷阱”的機(jī)構(gòu)，微粒將會(huì)被束縛在其中。如果移動(dòng)聚焦光斑，微粒也會(huì)隨之移動(dòng)，于是人們便能實(shí)現(xiàn)對微粒的捕獲和操控，這就是光鑷技術(shù)。用光鑷技術(shù)，無需接觸物體，就可以對細(xì)胞進(jìn)行精確的操作，而且不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械損傷。因此在生命科學(xué)研究中，幾乎所有的單細(xì)胞操作都采用光鑷技術(shù)進(jìn)行。

光鑷技術(shù)在生物學(xué)研究領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，例如將不同細(xì)胞擠壓在一起，或者向細(xì)胞中注入微量物質(zhì)，都是光鑷技術(shù)在大顯身手。

2018年的諾貝爾獎(jiǎng)的頒獎(jiǎng)儀式已經(jīng)落下帷幕，可司空見慣的光還有多少未知之謎在等著人們?nèi)ヌ剿骱桶l(fā)現(xiàn)呢？