光镊之父：亚瑟·阿斯金

亚瑟·阿斯金（Arthur Ashkin）穷其一生探索着光所施加的辐射压力。他敏锐地预见到光压可以做有用的工作，并发明了光学镊子，可以捕捉微观物体，从生物分子到单个原子。

亚瑟·阿斯金出生于1922年9月2日，是东欧移民的后代，他一直为自己“卑微”的出身感到骄傲。尽管没有在学术环境中长大，但他对学习拥有几乎无限的热情，直到2020年9月21日去世。

十岁时，亚瑟被克鲁克斯辐射计（Crookes radiometer）所吸引。他把它拿到阳光下观察叶片的转动。几年后他才知道，这种行为是由于玻璃球中残留的空气受热后的结果。他还发现，在真空度较高的情况下，由于辐射压力的作用，叶片会向相反的方向转动。这是亚瑟第一次意识到辐射压力可以做有用的工作。他渴望了解的克鲁克斯辐射计最终使他在63岁时发明了光学镊子。正是这项发明为他赢得了2018年诺贝尔物理学奖。

朋友和同事们都知道，亚瑟在纽约市布鲁克林区的一个叫Flatbush的居民区长大。他的父亲伊萨多尔（Isador）是来自敖德萨（Odessa，现在的乌克兰第四大城市）的孤儿。他的母亲安娜（Anna）在幼年时从加利西亚移民而来。亚瑟姓氏Ashkin是原名Ashkenasy的缩写，是1910年伊萨多尔年轻时到达埃利斯岛（Ellis Island）时，移民官的创造。亚瑟从小和哥哥朱利叶斯（Julius）、姐姐露丝（Ruth）一起长大。姐姐格特鲁德（Gertrude）年纪轻轻就去世了。朱利叶斯比亚瑟大两岁。朱利叶斯年纪轻轻就成了一位著名的物理学家，在曼哈顿计划中发挥了重要作用。阿斯金-泰勒模型（Ashkin–Teller model）中的阿斯金指的就是朱利叶斯。在兄弟俩事业的早期，与朱利叶斯共事的著名物理学家有时会称亚瑟为“阿斯金的兄弟”。

美国卷入二战，打断了亚瑟在哥伦比亚大学物理学专业的本科学习。他被征召进入美国陆军的信号部队（Signal Corps）。从1942年开始，他在哥伦比亚辐射实验室（Columbia Radiation Laboratory）担任技术员，研究旭日磁控管，作为战争努力的一部分，在西德尼·米尔曼（Sidney Millman）的带领下工作。他们研发的高功率磁控管被计划用于雷达。

亚瑟于1952年在康奈尔大学获得核物理学博士学位后，立即进入贝尔实验室工作。他加入了默里山实验室（Murray Hill Laboratory）的微波研究部门，在那里他专注于改进行波管放大器。他的第一次光学实验大约始于1962年，也就是激光器被发明出来的几年后。在随后一系列工作中，他的功劳是发现了铌酸锂和钽酸锂的光折射效应所产生的光学损伤。他也是第一个观察到光频率下连续波信号产生二次谐波的人。

从20世纪60年代中后期开始，亚瑟聘请了三位年轻的研究人员：John Bjorkholm、Roger Stolen和Erich Ippen。在随后的十年中，在亚瑟的监督和指导下，他们进行了实验，奠定了光纤非线性光学的基础。如光纤中的受激布林和拉曼散射以及四波混合（当时有时称为四光子混合）等现象，都是由亚瑟的小组首先证明的。

1966年，亚瑟参加了罗森（Rawson）、哈拉（Hara）和梅（May）在亚利桑那州的国际量子电子学会议（IQEC）上的演讲，他们在会上播放了一段关于“运动者和反弹者”的视频，这些小粒子在激光腔内看似随意地移动。这种运动很快被确定为由热驱动的，但这次演示重新点燃了亚瑟的童年愿望：证明辐射压力可以做有用的工作，只要热效应可以被抑制。

正是在1969年，亚瑟第一次观察到辐射压力可以捕获小的介电球。他在《物理评论快报》上发表了一篇具有里程碑意义的论文。挑战不是来自期刊，而是来自贝尔实验室的一次强制性内部审查。那次审查指出，该稿件不值得《物理评论通讯》刊登。尽管有这个障碍，但以原始形式提交的手稿还是被轻易接受了，并被大多数人认为是标志着辐射压力的光学捕获技术的诞生。亚瑟还在那篇论文中讨论了利用辐射压力捕获原子的问题。

第二年，亚瑟演示了利用辐射压力补偿重力的光学悬浮术。认识到光学悬浮可以作为一个敏感的检测机制，阿特使用这个工具来测量电子的电荷，并非常精确地测量米氏散射和物体的尺寸。

利用辐射压力对原子进行光学捕获仍然是亚瑟的首要目标。他与John Bjorkholm以及他的长期技术助手和朋友Joseph Dziedzic一起，朝着这个目标进行了一系列的实验。上世纪80年代初，朱棣文也加入了他们的行列。又经过一系列突破性的实验，实现了稳定的原子捕获。这一成就是关于原子捕获和冷却的科学发现的一部分，导致1997年诺贝尔物理学奖被授予朱棣文、]科恩·塔诺季（Claude Cohen-Tannoudji）和威廉·菲利普斯（William Phillips）。

1977年亚瑟提出了导致光学镊子的基本概念，1985年他与同事一起演示了这一概念。一个物体可以稳定地被困在一束激光的空间中，这个想法最初可能看起来是反直觉的。亚瑟曾在1969年证明，由于激光束的横向强度梯度，一个透明的球体可以被困在横向的激光束中。然而，该球体由于光散射而经历了一个净向前的力，该力将其推向与激光相同的方向。为了在激光的轴向方向上提供一个约束，亚瑟意识到，通过用一个强透镜将光束紧紧地聚焦，人们就会在焦点附近产生一个大的轴向强度梯度。该梯度产生了一个后向梯度力，补偿了前向的散射力。其结果是在一束激光内形成了一个三维光学陷阱。他把自己的发明称为光学镊子，他被授予2018年诺贝尔物理学奖，以表彰光学镊子及其在生物系统中的应用。

亚瑟曾用他的光学镊子捕捉过球形物体，但仍不清楚不规则形状的物体是否能像镊子一样轻易地被捕捉。亚瑟和Dziedzic决定尝试捕捉烟草花叶病毒（Tobacco Mosaic Virus），它的形状像棒状，长度比其直径大约16倍。幸运的是，他们能够抓住病毒的两端并将其稳定下来。在那次研究中，烟草花叶病毒样本被遗留暴露在空气中，被不经意间发现夹在光学镊子里面的细菌污染了。令Art和Dziedzic惊讶的是，这些细菌在陷阱中存活了几分钟。如果增加用于诱捕的激光的功率，细菌就会因“opticution”而死亡。“opticution”是亚瑟创造的一个术语，意思是被光杀死。将波长从514.5nm的绿光改为1.06μm的红外光，细菌对光的吸收较少，使细菌能够保持数小时的活力。甚至可以观察在光阱内观察到细胞繁殖情况。这次偶然的细菌诱捕之后，Art和Dziedzic又继续诱捕和研究各种生物，包括叶绿体、精子、和巨型变形虫。这些实验导致了光学镊子在生物学上的新应用的发展。它变得有可能非常精确地研究单个生物分子的相互作用，包括DNA。

亚瑟卓越的实验技能在贝尔实验室是众所周知的。同事们经常向他请教如何进行困难的实验。他有一些与众不同的技巧。例如，他发明了一种基于金属梳上衍射的可变光学衰减器。可以调节激光束的衰减，从全透明到超过30分贝衰减的连续变化。它可以处理高功率连续波并产生高质量的光束。

亚瑟认为自己首先是一个发明家。他喜欢玩弄玩具，并寻找可以让玩具变得有用的方法。在他生命的最后15年，他致力于研究如何以低成本的方式利用太阳的能量，希望能减少全球变暖，提高发展中国家的生活质量。亚瑟·阿斯金是一位了不起的发明家和科学家，他非常关心人民，深受同事们的爱戴。