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阿瑟·阿什金:生物学领域可能会因为用光镊做出的伟大工作而获得一次诺贝尔奖
发布时间:2018-10-10 来源:科学网 【字号:  

  阿瑟·阿什金被许多人认为是“光学捕获”之父,他是激光科学领域的巨人之一。阿什金在贝尔实验室长达40年的卓越职业生涯中,发现了如何让激光推、拉和抓住微小物体,如小介电粒子、细胞和DNA等生物分子。在其最著名的实验中,阿什金和朱棣文以及其他合作者仅用光冷却和捕获单个原子。

  阿什金生于1922年,在美国纽约布鲁克林长大。他到哥伦比亚大学攻读本科,在那里他还做一名技术人员为美国军方雷达设备制造磁控管。在大二时,他应征加入二战,但导师席德·米尔曼(Sid Millman)打了个电话,把阿什金列入了“征兵预备队”,得以让他在剩余的战争时期继续在实验室工作。

  战后,阿什金听从哥哥的建议去了康奈尔大学。他的哥哥是一位核物理学家,曾与均在康奈尔大学工作的理查德·费曼(Richard Feynman)和汉斯·贝特(Hans Bethe)一起参与曼哈顿计划。阿什金也学过核物理,但最终决定不踏入该领域,因为他哥哥已经太有名了。“我被称为‘阿什金的弟弟阿什金’。”他说。

  同时,米尔曼搬到了贝尔实验室,这里是基础科学研究的伟大堡垒。1958年,激光的前身——微波激射器就在这里被发明。完成博士学位后,阿什金得到了米尔曼的邀请。1952年,他开始在新泽西州默里山的实验室研究微波。1961年,他转向激光,开始研究参量振荡器和光纤的非线性特性。

  然而,阿什金最大的成就来自于对辐射压力的研究——光和其他形式的辐射会对物体产生作用力的观点。1967年,他搬到贝尔实验室下属的Holmdel实验室,他发现可以用激光束将小型(微米大小)乳胶球推入水中。他还发现,这些球体从光束的边缘被拉到中心,推动了捕获。

  随后,阿什金将另一束光束从另一边聚焦到球体上。这两束光将球体固定在原地,形成了第一个光学陷阱。阿什金1970年在《物理评论快报》上发表了这一研究结果。

  阿什金的梦想是捕捉原子,但他遇到了困难,因为无法让原子足够冷却,从而在任何时间长度捕获它们。1975年,特奥多尔·亨施(Theodor Hansch)和阿瑟·肖洛(Arthur Schawlow)提出了一个关键的观点,即原子可用多普勒效应冷却,该效应也被用于警用雷达、风暴追踪以及确定到宇宙中遥远天体的距离。该技术被称为“光学糖蜜”。科罗拉多大学博尔德分校的约翰·霍尔(John Hall)和同事开发了重要的技术来实现这个想法。

  借助这些新技术,阿什金、新同事朱棣文和实验室里的其他人于1984年开始了一项实验,以冷却和捕获一组原子。在尝试捕捉原子之前,朱棣文提出一个初步的实验研究光学糖蜜冷却方案。该团队成功将一组500个钠原子冷却到300微开尔文,并持续了数秒。然后,他们进行了另一项实验,使用“光镊”陷阱捕获冷却的原子,用一束激光通过透镜聚焦。该团队在1986年的《物理评论快报》上发表了研究结果,其中包括发表在该刊上的第一张彩色照片。这是世界上第一个稳定的、三维的、完全光学的原子捕集器。比尔·菲利普斯(Bill Phillips)及其在马里兰州盖瑟斯堡国家标准局(现为国家标准和技术研究所)的同事在此前不久成功用磁性捕获了原子,但密度要低得多。

  朱棣文继续使用冷却的原子创造了一个“原子喷泉”,它被用于大幅提高原子钟的精度和重力加速度的实验测量,并最终与菲利普斯和理论物理学家克劳德·科恩-坦努吉(Claude Cohen-Tannoudji)一起获得了诺贝尔奖。2001年,埃里克·康奈尔(Eric Cornell)、沃尔夫冈·凯特勒(Wolfgang Ketterle)和卡尔·威曼(Carl Wieman)因研究玻色-爱因斯坦凝聚而获得诺贝尔奖。

  同时,阿什金则专注于使用光镊捕捉和研究各种各样的生物,包括烟草花叶病毒、各种细菌、红细胞和藻类植物,而且不会损伤它们。他继续探索内部细胞结构,用光镊操纵细胞质和细胞器,并将其描述为“内部细胞手术的一种形式”。

  阿什金发展的光镊技术带来了生物物理研究的大爆发,产生了越来越精确的测量以及对微型生物系统的操作。皇家赌场已经研究了负责细胞内运输的分子马达的运动,并观察了RNA分子在DNA模板上的运动,其分辨率低于1纳米——比光学显微镜要高出数百倍。其他研究团队使用光镊测量微管和肌动蛋白微丝等细胞内成分的特性,发现新物种,以及研究传染病生物体如何攻击健康细胞。“我想生物学领域可能会因为用光镊做出的伟大工作而获得一次诺贝尔奖。”阿什金说。他在1997年写的一篇评论文章中描述了很多这方面的工作。阿什金还写了一本书,叫作《利用激光进行光学捕获和中性粒子操纵》。

  阿什金1992年从贝尔实验室退休,但他在自己的家庭实验室里依然活跃,那里配备了他漫长而富有成效的职业生涯中曾使用过的一些设备。他赢得了一长串的奖项和荣誉,他是美国光学学会、美国物理学会、美国电气与电子工程师协会和美国科学促进会的会员。2009年,他被授予光学协会荣誉会员。他拥有47项专利,并新申请了另外两项专利。在思考科学洞察力的本质时,他说:“首先你是如何获得哪些想法的?这一点最难。”不过,阿什金肯定有很多好点子。

(责任编辑:程博)
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