給老媽講諾貝爾獎：2018年物理學獎的啁啾是什麼？| 小爐匠沙龍_風聞

撰文 |  吳建永（美國喬治城大學教授）

2018年物理學諾貝爾獎的一半授予了發明激光“啁啾”技術的穆魯和斯特里克蘭。據八卦消息説，穆魯教授有一天去滑雪，在纜車上突然得了靈感，結果這項技術引發了激光技術的革命，還一不小心得了諾貝爾獎。

如今最熱門的追星就是諾貝爾獎了，連老媽都追。2018年10月初那兩天，幾大微信公眾號都在那兒熱火朝天地直播，老媽看了一篇又一篇，最後只學了一個新名詞叫“啁啾”（讀成“周揪”，不是“稠秋”），好像説的是激光技術，得了物理獎。老媽人老思想不老，她覺得能得諾貝爾獎的一定是個新奇的點子。那麼這妙不可言的“啁啾”，能不能講得讓我們老百姓也能聽懂呢？

“春節”長假我去看她老人家，一進門她就問我為啥激光要超短才能獲獎？新聞裏説短的激光比長的激光更強，可是常識裏不是説光照的時間越長作用就越強嗎？

吃飯的時候，我媽當着那麼多親戚朋友又纏着我問“啁啾”。老媽一説話，大家嘰嘰喳喳的聊天一下停了下來。為了不冷落大家，我就先提舊事説：您還記得咱們院的三德子和小娟嗎？

話音沒落，親戚們又七嘴八舌説開了。那時我還小，搬遷前住北京的大雜院，就是每天早上要到衚衕口公廁倒馬桶的那種。三德子比我大幾歲，中學沒畢業就去廣州深圳跑單幫，經常帶回些稀奇古怪的洋貨在院子裏炫耀。有天吃晚飯的時候説要給大家照“全家福”。當時天擦黑，人臉都看不清了，可是三德子從兜裏掏出一個紙殼的“傻瓜”照相機，到每家的小飯桌之前“咔嚓咔嚓”幾下，小盒子發出閃電一樣的炫目白光。

之後大家沒當真，都快把這事忘了。可是三德子第二個月回來，卻帶回了一大疊鮮豔的彩色照片，每家都有。這絕對是院兒裏的大事，當年在北京只見過“海鷗”牌的120相機，結婚時都能當彩禮，但海鷗相機只能在大太陽天照照黑白的照片，光線稍差點就虛了。而三德子那麼個破“傻瓜”竟然在看不見臉的黑天照出了清晰而色彩鮮豔的照片，這讓我們院一下就在衚衕裏出了名。所有的街坊鄰居都記得這件事，有人還説那是他家第一張彩照。

六姑搶着説，當時她就發現了三德子和小娟的秘密：“ 那時侯正經的大姑娘都不化妝，可照片上的小娟子抹了紅嘴唇。説明肯定是在照相前就跟三德子串通好了。”

老媽也跟着大夥兒一起歡快地樂，我趁機對她説這就是短的光照比長光照更強悍的例子了。那時院裏家家晚上點個3瓦的小日光燈管，幾米外都看不清人臉，更別説照相了。而那傻瓜相機的閃光燈竟相當於一個1萬瓦燈泡的亮度。因為閃光燈只在照相機快門開啓的時候亮百分之一秒，時間那麼短，所以一萬瓦也不但會把那紙殼子燒壞，而且時間短用電就少，一個小電池竟能保證36張照片張張得到充足的照明。如果用傻瓜機裏的電池點那3瓦熒光管，就只能點一分鐘不到。

老媽好像聽明白了，説這不就是刀刃越薄刀越快的道理嗎？閃光時間越短，能量就能更集中，發揮更強悍的作用。我趁老媽明白的時候接着説：“所以產生超強的激光器不是靠大，而是靠亮的時間短，就像燈管和閃光燈。同樣的能量，如果亮的時間只有1萬億分之一秒，就等於把瞬間的亮度提高了一萬億倍。”老媽明白了，原來這“啁啾”就是把閃光變短的技術啊！

為了給老媽講清怎樣把光變成短短的一閃，我用路上行人作為例子。如果100個行人稀稀拉拉地走，通過一個街口用了100秒鐘時間，算算人流密度就是每秒1人（100人除以100秒）。而如果大家搶貨，一起跑，過這個街口用了10秒時間，人流的密度就是每秒10人（100除以10），提高了10倍。而如果100人蔘加賽跑，所有人都憋足勁集中在起跑線上等着。發令槍一響100人用0.1秒衝過起跑線，瞬間人流的密度就達到每秒1000人（100除以0.1），提高100倍。這三種情況裏，稀稀拉拉的行人相當於點個3瓦管燈，搶貨相當於閃光燈，而賽跑比賽相當於激光器。產生激光的時侯先在一塊晶體裏聚集能量，就像一羣人憋着勁等發令槍。然後把能量一齊變成光子，步伐整齊地射出去，就形成了激光。

而激光器是不用發令槍的，讓光子步伐整齊射出靠的是“搶跑現象”。賽跑時經常出現的搶跑現象，就是大家都憋足勁的時候突然有個人不等槍響先跑了，別人一看有人跑也都下意識地跟着跑。激光器裏也是這樣，晶體裏聚集能量本來是憋在晶格的電子雲裏的，當聚集多了總會有光子搶跑，只要有一個光子竄出來，就使路徑上的大量能量轉換成很多的光子，而很多的光子會使更多的能量變成光子…… 如此的滾雪球效應，使整塊晶體裏大部分能量一瞬間變成短短的一股強光子流，行話叫一個“短脈衝”。老媽一聽樂了，這不就像阿Q正傳裏説的，打土豪吃大户的時候需要有人吆喝“同去，同去”嗎？

這時候親戚們的注意力早就轉移了，七嘴八舌地聊開了上春晚的兩個小鮮肉以後會不會打架的問題。而老媽卻埋怨我扯了半天，還沒説出啥是啁啾。

我從桌上狼藉的杯盤中揀出一隻“滑水”（紅燒魚的尾巴），一邊咂着一邊慢慢説，提高激光的亮度就要把光脈衝變得更短，就像把街上行軍的隊伍變短來提高人流密度。可是人流密度密度越高，行進速度就越慢，越慢後面人就越往前堵，這樣越堵人流越密，越密越堵。最後後面人就追上前面的，出現踩踏事件。

光子密度越大速度也會越慢，行話叫“克爾效應”。因為克爾效應，晶體裏的光柱越強就會變得越細，光柱越細則光子密度越高，最後出現“踩踏事件”，讓光柱突然憋死在一個點上， 並把這個點燒壞。而得獎的這個“啁啾”就是破解光子踩踏事件的神器。就是用“上啁啾“ 先把短脈衝變寬，比如本來是一太秒（10-12秒或一億億分之一秒）變成1000太秒，擴寬了1000倍，這樣它就能順利地通過晶體，變得很強卻不被憋死，然後從晶體裏出來以後再用“下啁啾”把又強又寬的脈衝變回一太秒那麼短，就產生了超強的短激光脈衝。

這次得獎的穆魯教授在20世紀70年代末成天就琢磨怎樣把激光做得更強。不光是他一個，世界上好多人都在那琢磨這個事。可是克爾效應是個自然規律，只要激光足夠強，就會憋死。有這個門檻在，激光的強度就提不上去了。於是有人就琢磨土豪式的辦法，用好多塊大晶體做一大堆激光器。這樣每塊晶體裏的光就沒那麼強，不會憋死。然後讓好多塊大晶體一齊出激光，就會變得很強。

而穆魯教授是靠聰明打敗土豪，想出了用啁啾放大的辦法來解決光子踩踏問題，這樣一個小裝置就能勝過一大廠房的巨型激光器，所以他的發明也叫“桌上太瓦激光器（英語” 桌上太瓦”是“Table Top Terawatts”，所以也叫 T3 激光器）。

這裏，怎樣把短脈衝變寬是個關鍵問題。據説，穆魯教授曾沒日沒夜地想這個問題。有一天，他在滑雪的纜車上突然來了靈感，到山頂後雪也沒滑，坐纜車又下來，一頭扎進實驗室，獲得了成功。那靈感是哪來的呢？八卦消息説是因為看到了纜車上那長長的纜繩。光也可以在長長的光纜中跑。當光纜很長時，紅光會跑得慢些，藍光卻快些，這樣就出現了“上啁啾”過程。這有點像人跑馬拉松，雖然一起起跑，但在漫長的路上，有人快有人慢，逐漸人流就稀薄了，能安全通過街區而不出現踩踏。這樣上啁啾過的光就能夠安全地通過晶體。然後呢，再用“下啁啾”的辦法把脈衝縮短變成超強激光。

為了怕老媽聽不懂。我就一邊畫一邊講（圖1）。圖中用的都是術語，裏面“展寬器”和“壓縮器”顧名思義就是用來展寬和壓縮光子流的。啁啾本來是個文縐縐的詞，用來描繪鳥兒“吱”的叫一聲， 比如宋朝的詩“日暮啁啾燕雀飛”。後來物理學就借用這個詞來描繪變化的聲波、光波和電波。因此把短脈衝光波展寬/縮短的技術也就被稱為上/下啁啾技術了。

圖1 2018年諾貝爾物理學獎原理示意圖。左邊紅色的一個小尖尖是放大前的激光脈衝，又小又窄。這脈衝通過“展寬器”實現上啁啾，變成中間那個矮胖的寬的脈衝，再通過晶體放大成右二那個高胖的脈衝，最後通過壓縮器實現下啁啾，就產生的最右邊那個又高又窄的超強短脈衝。

我給老媽看了一張同獲2018年物理學諾貝爾獎的女教授的照片。她身旁就放着一大卷用於上啁啾的光纖。他倆的第一篇文章用了1.4公里長的光纖。拍照時斯特里克蘭才二十多歲，是穆魯教授的研究生。

親戚們一聽是中年教授和年輕女學生在黑屋裏的故事（圖2），呼啦一下圍過來，對她的毛衣和眼鏡評頭品足。我趕緊解釋那眼鏡可不是那年代的時尚，而是防止激光傷眼睛的保護目鏡（2018年10/15 深夜初稿於華盛頓）。

圖2  分享諾獎的斯特里克蘭（Donna Strickland）教授，攝於1980年代。斯特里克蘭教授是繼居里夫人和她女兒之後第三位獲得諾貝爾物理學獎的女科學家。

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