阿瑟·阿什金：生物學領域可能會用光鑷做出的偉大工作

　　 阿瑟·阿什金被許多人認為是“光學捕獲”之父，他是激光科學領域的巨人之一。阿什金在貝爾實驗室長達40年的卓越職業生涯中，發現了如何讓激光推、拉和抓住微小物體，如小介電粒子、細胞和DNA等生物分子。在其最著名的實驗中，阿什金和朱棣文以及其他合作者僅用光冷卻和捕獲單個原子。

　　阿什金生于1922年，在美國紐約布魯克林長大。他到哥倫比亞大學攻讀本科，在那里他還做一名技術人員為美國軍方雷達設備制造磁控管。在大二時，他應征加入二戰，但導師席德·米爾曼（Sid Millman）打了個電話，把阿什金列入了“征兵預備隊”，得以讓他在剩余的戰爭時期繼續在實驗室工作。

　　戰后，阿什金聽從哥哥的建議去了康奈爾大學。他的哥哥是一位核物理學家，曾與均在康奈爾大學工作的理查德·費曼（Richard Feynman）和漢斯·貝特（Hans Bethe）一起參與曼哈頓計劃。阿什金也學過核物理，但最終決定不踏入該領域，因為他哥哥已經太有名了。“我被稱為‘阿什金的弟弟阿什金’。”他說。

　　同時，米爾曼搬到了貝爾實驗室，這里是基礎科學研究的偉大堡壘。1958年，激光的前身——微波激射器就在這里被發明。完成博士學位后，阿什金得到了米爾曼的邀請。1952年，他開始在新澤西州默里山的實驗室研究微波。1961年，他轉向激光，開始研究參量振蕩器和光纖的非線性特性。

　　然而，阿什金最大的成就來自于對輻射壓力的研究——光和其他形式的輻射會對物體產生作用力的觀點。1967年，他搬到貝爾實驗室下屬的Holmdel實驗室，他發現可以用激光束將小型（微米大小）乳膠球推入水中。他還發現，這些球體從光束的邊緣被拉到中心，推動了捕獲。

　　隨后，阿什金將另一束光束從另一邊聚焦到球體上。這兩束光將球體固定在原地，形成了第一個光學陷阱。阿什金1970年在《物理評論快報》上發表了這一研究結果。

　　阿什金的夢想是捕捉原子，但他遇到了困難，因為無法讓原子足夠冷卻，從而在任何時間長度捕獲它們。1975年，特奧多爾·亨施（Theodor Hansch）和阿瑟·肖洛（Arthur Schawlow）提出了一個關鍵的觀點，即原子可用多普勒效應冷卻，該效應也被用于警用雷達、風暴追蹤以及確定到宇宙中遙遠天體的距離。該技術被稱為“光學糖蜜”。科羅拉多大學博爾德分校的約翰·霍爾（John Hall）和同事開發了重要的技術來實現這個想法。

　　借助這些新技術，阿什金、新同事朱棣文和實驗室里的其他人于1984年開始了一項實驗，以冷卻和捕獲一組原子。在嘗試捕捉原子之前，朱棣文提出一個初步的實驗研究光學糖蜜冷卻方案。該團隊成功將一組500個鈉原子冷卻到300微開爾文，并持續了數秒。然后，他們進行了另一項實驗，使用“光鑷”陷阱捕獲冷卻的原子，用一束激光通過透鏡聚焦。該團隊在1986年的《物理評論快報》上發表了研究結果，其中包括發表在該刊上的第一張彩色照片。這是世界上第一個穩定的、三維的、完全光學的原子捕集器。比爾·菲利普斯（Bill Phillips）及其在馬里蘭州蓋瑟斯堡國家標準局（現為國家標準和技術研究所）的同事在此前不久成功用磁性捕獲了原子，但密度要低得多。

　　朱棣文繼續使用冷卻的原子創造了一個“原子噴泉”，它被用于大幅提高原子鐘的精度和重力加速度的實驗測量，并最終與菲利普斯和理論物理學家克勞德·科恩-坦努吉（Claude Cohen-Tannoudji）一起獲得了諾貝爾獎。2001年，埃里克·康奈爾（Eric Cornell）、沃爾夫岡·凱特勒（Wolfgang Ketterle）和卡爾·威曼（Carl Wieman）因研究玻色-愛因斯坦凝聚而獲得諾貝爾獎。

　　同時，阿什金則專注于使用光鑷捕捉和研究各種各樣的生物，包括煙草花葉病毒、各種細菌、紅細胞和藻類植物，而且不會損傷它們。他繼續探索內部細胞結構，用光鑷操縱細胞質和細胞器，并將其描述為“內部細胞手術的一種形式”。

　　阿什金發展的光鑷技術帶來了生物物理研究的大爆發，產生了越來越精確的測量以及對微型生物系統的操作。科學家已經研究了負責細胞內運輸的分子馬達的運動，并觀察了RNA分子在DNA模板上的運動，其分辨率低于1納米——比光學顯微鏡要高出數百倍。其他研究團隊使用光鑷測量微管和肌動蛋白微絲等細胞內成分的特性，發現新物種，以及研究傳染病生物體如何攻擊健康細胞。“我想生物學領域可能會因為用光鑷做出的偉大工作而獲得一次諾貝爾獎。”阿什金說。他在1997年寫的一篇評論文章中描述了很多這方面的工作。阿什金還寫了一本書，叫作《利用激光進行光學捕獲和中性粒子操縱》。

　　阿什金1992年從貝爾實驗室退休，但他在自己的家庭實驗室里依然活躍，那里配備了他漫長而富有成效的職業生涯中曾使用過的一些設備。他贏得了一長串的獎項和榮譽，他是美國光學學會、美國物理學會、美國電氣與電子工程師協會和美國科學促進會的會員。2009年，他被授予光學協會榮譽會員。他擁有47項ZL，并新申請了另外兩項ZL。在思考科學洞察力的本質時，他說：“首先你是如何獲得哪些想法的？這一點最難。”不過，阿什金肯定有很多好點子。