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通往更加極端的光學(xué)之路：“用光制造的工具”獲諾貝爾獎(jiǎng)  亞瑟·阿什金（Arthur Ashkin）發(fā)明了光學(xué)鑷子，能通過(guò)激光束“手指”抓取顆粒、原子和分子。光學(xué)鑷子還能用于操縱病毒、細(xì)菌和其他活體細(xì)胞，并且在觀察和操縱過(guò)程中不造成損傷。阿什金的光學(xué)鑷子為觀察和控制生命的機(jī)械過(guò)程創(chuàng)造了全新的契機(jī)。 杰哈·莫羅（Gérard Mourou）和 多娜·斯崔克蘭（Donna Strickland）為人類研制有史以來(lái)波長(zhǎng)最短、能量最高的激光鋪平了道路。他們所開創(chuàng)的技術(shù)開啟了該領(lǐng)域科學(xué)研究的嶄新紀(jì)元，并在工業(yè)與醫(yī)藥領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如，每年都有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的眼科手術(shù)正是借助最鋒利的激光束完成的。  阿什金開發(fā)了一種光學(xué)陷阱，后來(lái)該技術(shù)被稱為光學(xué)鑷子 1 微小的透明圓球被激光照射后開始移動(dòng)。它們的速度與阿什金的理論估算相符，表明確實(shí)是輻射壓在推動(dòng)著它們。 2 一個(gè)令人意想不到的效應(yīng)是，輻射壓力具有梯度，會(huì)促使圓球向光束中央位置移動(dòng)，那里有著最高的光強(qiáng)度。這是因?yàn)楣鈴?qiáng)度會(huì)向外側(cè)逐漸減小，而推動(dòng)小球的所有力的總和將其推向光束中心。 3 阿什金將激光束的方向朝上，使圓球浮起。此時(shí)輻射壓抵消了重力。 4 激光束經(jīng)由透鏡實(shí)現(xiàn)聚焦。此時(shí)光線就可以用于捕獲粒子，甚至操縱活著的細(xì)菌和細(xì)胞，成為一把光學(xué)鑷子。  光學(xué)鑷子繪制出了驅(qū)動(dòng)蛋白沿著細(xì)胞骨架移動(dòng)的過(guò)程 1 驅(qū)動(dòng)蛋白分子連接到光學(xué)鑷子操縱的一個(gè)小圓球上。 2 驅(qū)動(dòng)蛋白沿著細(xì)胞骨架移動(dòng)。它拉動(dòng)了圓球，因此可以通過(guò)圓球測(cè)量其“行走”運(yùn)動(dòng)。 3 最終，驅(qū)動(dòng)蛋白無(wú)法承受光學(xué)陷阱的力，圓球回到了光束中心。 在光束中移動(dòng) 亞瑟·阿什金有一個(gè)夢(mèng)想：將光束作為工作時(shí)的工具，并用它推動(dòng)物體移動(dòng)。在20世紀(jì)60年代中期推出的系列美劇《星際迷航》中，有一種光束可以在不觸及物體——包括太空中的小行星——的情況下對(duì)其進(jìn)行牽引。當(dāng)然，這聽起來(lái)就像純粹的科幻概念。我們能感覺到陽(yáng)光攜帶著能量，曬太陽(yáng)會(huì)讓我們感受到熱，但來(lái)自陽(yáng)光光束的壓力太小，我們沒有任何擠壓感。但是，這種壓力是否足以推動(dòng)極其微小的顆粒和原子呢？ 在1960年第一臺(tái)激光器發(fā)明之后，阿什金立即開始在紐約郊外的貝爾實(shí)驗(yàn)室中試驗(yàn)這臺(tái)新設(shè)備。在激光中，光波會(huì)連續(xù)移動(dòng)，而不是像平常的白光那樣混雜了各種各樣的顏色，并向各個(gè)方向傳播。 阿什金意識(shí)到，激光可以作為一種完美的工具，利用光束來(lái)移動(dòng)微小粒子是可能的。他用激光照射微米級(jí)的透明小球，并很快就讓這些小球動(dòng)了起來(lái)。與此同時(shí)，阿什金驚訝地發(fā)現(xiàn)，這些小球被拉到了光束最為密集的中間位置。對(duì)此的解釋是，無(wú)論一束激光有多么銳利，它的強(qiáng)度也會(huì)從中間向兩側(cè)減小。因此，激光施加于粒子上的輻射壓也有差別，會(huì)迫使它們朝著光束中心的位置移動(dòng)并穩(wěn)定下來(lái)。 為了保持粒子位于光束的方向上，阿什金增加了一個(gè)聚焦激光的強(qiáng)透鏡。這些粒子因此被拉向光強(qiáng)度最高的位置。一個(gè)光學(xué)陷阱誕生了；后來(lái)，這種裝置被稱為光學(xué)鑷子。 光線捕獲的活細(xì)菌 經(jīng)過(guò)多年的努力和多次挫折之后，科學(xué)家終于能用這個(gè)光學(xué)陷阱捕獲單個(gè)原子。這一過(guò)程存在許多困難：一個(gè)是光學(xué)鑷子需要更強(qiáng)的力以抓取原子，另一個(gè)問(wèn)題是原子的熱振動(dòng)。有必要找到一種方法，使原子的運(yùn)動(dòng)減慢下來(lái)，并將它們放入一個(gè)比本句最后的句點(diǎn)還要小得多的區(qū)域內(nèi)。一切問(wèn)題都在1986年得到解決，光學(xué)鑷子與其他方法相結(jié)合，成功靜止并捕獲了原子。 在減慢原子速度本身成為一個(gè)新研究領(lǐng)域的同時(shí)，亞瑟·阿什金發(fā)現(xiàn)了光學(xué)鑷子的一個(gè)全新用途——研究生物系統(tǒng)。一個(gè)契機(jī)的出現(xiàn)使他進(jìn)入了這一領(lǐng)域。在嘗試捕獲更小粒子的過(guò)程中，阿什金使用了小型花葉病毒的樣品。在剛好將樣品暴露著放了一夜之后，里面已經(jīng)充滿了到處移動(dòng)的大顆粒。在顯微鏡下，阿什金發(fā)現(xiàn)這些粒子其實(shí)是到處游動(dòng)的細(xì)菌，而當(dāng)它們靠近激光束時(shí)，會(huì)被困在光學(xué)陷阱當(dāng)中。不過(guò)，阿什金的綠色激光束殺死了細(xì)菌，因此要讓它們活下來(lái)，還需要強(qiáng)度較小的光束。在不可見的紅外光下，細(xì)菌沒有受到損傷，并且能夠在光學(xué)陷阱中繁殖。 由此，阿什金接下來(lái)的研究主要關(guān)注眾多不同的細(xì)菌、病毒和活細(xì)胞。他甚至展示了在不破壞細(xì)胞膜的情況下，進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)部的可能性。阿什金為光學(xué)鑷子的新用途開辟了一整個(gè)世界。一個(gè)重要的突破是對(duì)分子馬達(dá)——在細(xì)胞內(nèi)部進(jìn)行關(guān)鍵工作的大分子——機(jī)械性能的研究。利用光學(xué)鑷子進(jìn)行詳細(xì)繪圖的分子馬達(dá)是一種驅(qū)動(dòng)蛋白，它在微管構(gòu)成的軌道上“行走”，而微管是細(xì)胞骨架的一部分。 從科幻小說(shuō)到實(shí)際應(yīng)用 在過(guò)去幾年間，許多研究者在阿什金發(fā)明的基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓展。目前，光學(xué)鑷子推動(dòng)了無(wú)數(shù)實(shí)踐應(yīng)用的開發(fā)，使在不觸碰研究對(duì)象的情況下，利用光學(xué)鑷子對(duì)其進(jìn)行觀察、翻轉(zhuǎn)、剪切、推動(dòng)和牽引成為可能。在許多實(shí)驗(yàn)室中，激光鑷子成為了研究生物過(guò)程——諸如單個(gè)蛋白質(zhì)、分子馬達(dá)、DNA和細(xì)胞內(nèi)部活動(dòng)等——的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。光學(xué)全息攝影是最新的開發(fā)成果之一，通過(guò)該技術(shù)，數(shù)千個(gè)光學(xué)鑷子可以同時(shí)發(fā)揮作用，其用途包括將健康細(xì)胞與感染細(xì)胞分離，這在對(duì)抗瘧疾等疾病的過(guò)程中具有廣闊的應(yīng)用潛力。 超短高強(qiáng)度光束的新技術(shù) 該技術(shù)的靈感來(lái)自一篇描述雷達(dá)及其無(wú)線電波（長(zhǎng)波）的學(xué)術(shù)文章。然而，將這一概念轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)更短的光波十分困難，無(wú)論在理論上還是實(shí)踐上。1985年12月，一篇突破性的論文發(fā)表，而這正是多娜·斯崔克蘭的第一篇學(xué)術(shù)文章。她從加拿大搬到了美國(guó)的羅切斯特大學(xué)，在那里對(duì)激光物理學(xué)產(chǎn)生了興趣，因?yàn)榫G色和紅色的光束將實(shí)驗(yàn)室裝點(diǎn)成了一棵圣誕樹，至少在她的導(dǎo)師杰哈·莫羅看來(lái)是這樣的�，F(xiàn)在，科學(xué)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了論文中提到的一項(xiàng)技術(shù)——將短激光脈沖的強(qiáng)度提高到前所未有的程度。 |
