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上海科协邀诺贝尔物理学奖评委解读2018年诺贝尔物理学奖

来源:中国科协网 时间:2018/10/30 13:57:00
10月24日,由上海市科协、李政道研究所、中国科学院上海光学精密机械研究所联合主办的2018年诺贝尔物理学奖深度解读报告会在科学会堂举行。
本月初,2018年诺贝尔物理学奖授予美国科学家阿瑟·阿什金、法国科学家杰拉德·穆鲁和加拿大科学家唐娜·斯特里克兰,以表彰他们在激光物理学领域的突破性贡献。为深入解析激光物理学的发展,了解自伦琴射线以来光学科技的百年发展历程,对超强超短激光的作用和趋势有所认识,报告会特别邀请诺贝尔物理学奖评委会委员、瑞典科学院院士、北欧理论原子物理研究所主任、瑞典斯德哥尔摩大学托尔斯·汉斯·汉森(Thors Hans Hansson)教授,中国科学院院士、中科院上海光学精密机械研究所所长、上海科技大学副校长、上海超强超短激光实验装置(SULF)项目负责人李儒新研究员作为主讲嘉宾,分别从诺贝尔物理学奖评审、2018年诺贝尔物理学奖专业解析、超强超短激光的发展与应用等方面进行阐述。 
 
诺贝尔物理学奖评委汉森教授解读2018年诺贝尔物理学奖
抓住微粒的光学镊子
阿什金被许多人认为是光学镊子领域之父。而以激光为镊子,不仅可以帮助科学家俘获分子、原子,还广泛应用于生命科学领域,诸如DNA、蛋白质的研究。汉森教授用“吹风机口上的乒乓球”来比喻激光对微粒的操控能力:“如果把一个乒乓球放在吹风机的口上,你会发现乒乓球不仅漂浮在空中,还会定位在风口的中央。当一束激光打到微粒时,这颗微粒也会如同乒乓球一样,自然而然地来到激光束的中央位置。”
如此一来,科学家就可以用激光捕获微粒。这一现象与光辐射的梯度力有关,并有着一定的限定条件。1970年,阿什金采用一束高斯激光,成功地在垂直于光的传播方向上束缚了悬浮在水中的聚苯乙烯微粒,这一实验将辐射压的应用从原子量级扩展到了微米范围,奠定了光镊的研究基础。1987年,他又把单束激光引入高数值孔径物镜,证明光镊可以无损伤地操纵活体物质。这使得科学家可以用光镊“将细胞从它们的正常位置移去的能力,从而打开了精确研究其功能的大门”。
如今已经96岁的阿什金因此成为有史以来年纪最大的诺奖获得者。“如果仅仅是光镊,老先生还不一定能获奖,重要的是光镊在生命科学的广泛应用。而1987年,他已经65岁了。”李儒新半开玩笑地说,“这说明,科学家要活到老,研究到老。”
太阳女神激光的关键所在
作为已经创造了10拍瓦世界级成果的上海超强超短激光实验装置项目负责人,李儒新对于莫罗和唐娜的“啁啾脉冲放大技术”可谓了如指掌。
啁啾形容的是鸟儿鸣叫的声音,刚开始时往往略低,之后不断上扬,直冲云霞。唐代诗人王维有诗《黄雀痴》:“到大啁啾解游飏,各自东西南北飞。”而在激光领域,“啁啾脉冲放大技术”可以将激光脉冲时间压缩到飞秒(一千万亿分之一秒)量级,从而得到惊人的峰值功率。
李儒新挥舞着手中的激光笔说:“这支激光笔的功率是毫瓦级的,如果我们将1毫瓦的激光笔连续发光1秒的能量,变成时间宽度为1皮秒(一万亿分之一秒)的脉冲激光,其峰值功率就达到了1吉瓦级别,这是一个核电机组的功率水平。”
而上海超强超短激光的10拍瓦功率,是全球电网平均功率的5000倍,全球能耗平均功率的1000倍。更为简单的比较是,1个拍瓦相当于1个太阳的输出功率。“上海超短超强激光有个好听的名字——‘羲和激光’。”李儒新说,“羲和是《山海经》中记载的中国太阳女神,她生下了10个太阳,正好对应我们的10拍瓦。”
与阿什金不同,有关“啁啾脉冲放大技术”的论文是诺贝尔物理学奖第三位女性获得者唐娜的第一篇学术论文。那时刚刚26岁的唐娜距离她的博士学位还有好多年。“重视你的每一篇论文。说不定哪天就能获奖了。”李儒新幽默地对现场大学生说。
用激光寻找宇宙的起源
“我们诺奖评委有一个原则,从来不预测诺奖,也不会对落选诺奖的热门人选给出解释。”汉森教授对于现场有关诺奖预测的提问三缄其口。李儒新则说:“我专门研究了近20年诺贝尔奖中与激光相关的获奖者,既有物理学的,也有化学的。他们或者发明了激光新技术,或者用激光创造出了物质的新状态,或者将激光作为精密的工具,加起来超过10个。未来,还会有一些获奖,将与激光有关。
李儒新预测说,超短超强激光进一步发展,从皮秒到阿秒,再到仄秒,将驱动产生极端超快相干光源,从而开辟超快光核物理研究等新前沿。加拿大渥太华大学阿秒光子学领域研究主席保罗·科尔库姆、德国马普量子光学研究所所长费伦茨·克劳斯,因为在阿秒物理学中作出的突出贡献而成为诺奖的有力争夺者。
而激光加速器也是一个有前途的领域。它能将大型的高能粒子加速器变得小型化,也会对同步辐射装置、自由电子激光及高能物理研究带来深远影响。“我们还能用激光加速器生产反物质,并将反物质囚禁冷却,为太空航行提供反物质推进器。”李儒新脑洞大开地展望说,“最终,我们或许会用激光来寻找宇宙的起源。”
本次报告会,来自上海交通大学、华东理工大学、华东师范大学、上海师范大学、中科院上海光学精密机械研究所、中科院上海应用物理研究所等高校、研究所的青年教师、研究生,市科协科学诠释者等200多人参加。上海市科协副巡视员黄兴华出席并致欢迎辞。(来源:中国科协网)
 
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