2018年诺贝尔物理学奖回顾：光镊和超短光脉冲

2018年诺贝尔物理学奖一分为二，一半授予热拉尔·穆鲁(Gerard Moreau)和唐娜·斯特里克兰(Donna Strickland)以表彰他们产生高强度超短光脉冲的方法，另一半授予阿瑟·阿斯金(Arthur Ashkan)以表彰他开发出所谓的光镊。今天，我们主要介绍光镊，而高强度超短光脉冲只作简单描述。

光镊

让我们先从光镊开始。如果你看过《星际迷航》，那你可能会对里面的“牵引光束”有印象。而光镊就是一种“牵引光束”，只不过它适用于非常小的物体。例如DNA或蛋白质，我们可以用光镊抓住它们，并将它们移动到任何想要的地方。
事实上，它的原理非常简单，只需要我们中学的物理概念：动量。当我们把一颗球扔向一面墙的时候，球在与墙碰撞之后会反弹回来。虽然球的速度大小可能没什么变化，但速度的方向掉转了180度，动量发生了巨大的改变。根据动量守恒，墙动量的变化与球大小相等方向相反。假如这堵墙没有固定，那么墙就会向反方向运动。
现在，把球换成光子，把墙换成镜子。虽然光子没有静止质量，但根据爱因斯坦的相对论，光子也具有动量。当一束光照射到镜子发射回来的时候，就像球与墙壁的例子，它的动量发生改变。由于动量是守恒的，镜子的动量必须朝反方向增加，也就说说光正在推动镜子。
如果我们把平面镜换成透镜，我们也会看到光导致透镜移动的效果。如下图所示，如果我只照亮透镜的右半部分，然后这些光线会向左偏折，根据动量守恒，光会给透镜施加一个向右的力，使它向右移动。如果我们用光照射整个透镜，但右侧光比左侧还要亮，同样透镜会往右边移动。

现在，我们用激光束照亮一个透镜。激光中心的强度非常强，但沿着中心迅速减弱。如果透镜的中心刚好位于激光中心，那么透镜那边的光是均匀的，并不会出现移动。如果出现一点偏离，那么透镜的一侧便比另一侧受到更强的光，于是透镜就会向激光中心移动，这就是光镊技术的基本原理。

如果我们把类似透镜的微小“玻璃珠”与DNA或蛋白质等结合，那么我们就能用光镊技术来移动它们。

超短光脉冲

产生高强度超短光脉冲的方法，他们称为“啁啾脉冲放大”(CPA)。一根激光笔，按下开关后激光会连续发出光束。假如这根激光笔的功率是1瓦，它代表着激光每秒一焦耳的光能。假设我们采用相同的平均功率输出，但以多个短脉冲将其分配出去：平均功率是相同的，但是峰值功率要高得多。诺贝尔奖中提到的超短脉冲通常只有飞秒长，那么脉冲期间的峰值或最大功率可以达到1000万亿瓦。