诺贝尔物理学奖中的光

2018年的诺贝尔物理学奖授予了美国、法国和加拿大的3位科学家，以表彰他们在激光物理学领域的突破性贡献。又一次，光学研究领域中的科学家获得了诺贝尔奖的青睐。20世纪初，诺贝尔奖刚刚设立，第一个诺贝尔物理学奖就是颁给发现X射线的伦琴。到目前为止，已颁发的诺贝尔物理学奖中，与光学直接或是间接相关的就多达四十几个，这些物理学奖恰好也按时间顺序展示了人类在光学领域研究的成果，展示了人类从认识光到用光打开了新世界大门的光辉历程。

光学频率梳

把光制成一把精密的梳子

2005年诺贝尔物理学奖表彰的一个主要成就是光学频率梳。光学频率梳又称光梳，它拥有一系列频率均匀分布的频谱，这些频谱仿佛一把梳子上的齿或一根尺子上的刻度，可以用来测定未知频谱的具体频率。它既能精确地测量光学频率，又能提供长度的标准，因而又被称为“光尺”。

我们知道，时间是一个基本的计量单位，日常生活中每个人都会不可避免地与其打交道。一开始，人们仅使用水钟或者沙漏进行简单的计时，后来由于航海活动的需要，人们才对计时精度的重要性有了初步的认识。 随着现代科学的兴起和发展，时间的精密计量也被赋予更高的科学价值。一方面新的技术被用于高精度的时间计量，另一方面精确的时间计量对基础科学的发展起着重要的推动作用。在1967年的第13届国际计量大会上，人们将时间单位“秒”定义为“铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9 192 631 770个周期的持续时间”，这一定义下的时间精度达到了10-15的量级。但科学研究不断发展，对时间计量的精度又提出了更高的要求。由于时间周期与频率互为倒数关系，为了进一步提高其精度，人们就想到用频率更高的光波替代微波。光梳技术的出现，让时间精度提高到了10-18的量级。

除了提高时间计量的精度，光梳技术还大大提高了GPS、深空導航、基本物理常数测量等的精度，并且已经在为人类探索宇宙而服务了。

光纤通信

让信息插上光的翅膀

2009年的诺贝尔物理学奖授予了“光纤之父”高锟，以表彰他在光通信方面取得的成就。

现如今，大到国家的信息高速公路计划，小至街头巷尾常说的光纤到户，现代的信息科技已经和光通信难解难分。如果没有光通信，我们将无法享受到上网看各种视频节目的乐趣，也享受不到3G、4G，以及即将到来的5G移动通信的各种福利。

其实，根据光的反射及折射现象，在19世纪末，美国发明家贝尔就发明了“光话机”。但是人们发现光线在空气中传播了一段距离后强度会变得很弱，因此这一发明便失去了实用价值。在此之后虽然也出现了多种传播介质，可以让光线在其中转弯，但强度迅速衰减的问题并没有得到解决。1966年，高锟发表了论文《光频率的介质纤维表面波导》，论证了玻璃介质能够完成光线传播的条件，并首次提出用玻璃纤维作为光传播介质并用于通信的理论。在光通信史上，这是一个具有划时代意义的理论，它成就了后来发展得如火如荼的光通信技术。

如今的光通信技术已经十分成熟，在实验室中，单条光纤数据传输的最大速度可达到26Tbps，这是传统网线的26 000倍，光纤通信早已成为各种通信网络的主要传输方式。

时至今日，全球95%的互联网通信量是由庞大的光缆网络承担的，它们如灵活敏捷的长蛇那样，在海底曲折蜿蜒。以上海为例，上海电信布设的光缆网络就已超过200万千米，相当于环绕上海中环线33 000多圈。毫不夸张地说，当你打开任何一个网页，或是点击手机中任何一个在线应用时，背后都离不开那一根根比发丝还细的光纤。

目前光通信更多用于交流信息和传输数据，而在未来的5G和万物互联的物联网世界里，光通信将在人与物、物与物之间的通信中大展身手。

蓝光LED

重新创造了光

2014年的诺贝尔物理学奖授予了3位发明蓝光LED的日本科学家。

自从20世纪60年代人们发明LED后，红光LED、绿光LED都很快相继问世，但蓝光LED却让科学家们努力了30余年。

与红光LED和绿光LED相比，蓝光LED的技术难度要大得多。蓝光是光的三原色之一，蓝光LED的缺失使得人们一直无法合成白光LED，这在长达数十年的时间里让科学界和工业界倍受困扰。

如今采用蓝光LED技术的产品已经进入了全世界的千家万户，蓝光LED与红光LED、绿光LED一起，组成了我们现在看到的五颜六色的LED灯。LED照明的能耗要比白炽灯和日光灯少得多，这不但使得人类节约了更多的资源，也可能让一些使用太阳能小型电站电力的地区实现照明，全球亿万人将告别没有灯光照明的时代。

LED灯已应用于生活的各个方面，爱迪生的白炽灯曾照亮了20世纪，而21世纪将被LED的光芒照耀。

光学镊子

用光制造工具

2018年的诺贝尔物理学奖之一，表彰阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）发明了用激光束操纵粒子、原子和分子的光镊技术，这一技术可利用激光将小粒子固定在光束中心，从而更好地操纵它们。运用光镊技术，人们可以操纵和移动原子、病毒和其他活细胞。

如何用光来操纵微小粒子呢？我们知道，光，是一种电磁波，但它具有波粒二象性。与飞来的棒球击中人体后会产生冲击一样，光的粒子即光子在接触物体后，同样会对该物体施加力的作用。但是光的压力仅仅在10亿分之一到100亿分之一牛这个数量级，人体自然无法感受到光压的存在。但是一些微小的物体，比如红血球或者微生物却对光压非常敏感。

激光的特性之一就是可以把能量汇聚到一个十分微小的光斑上。对于微小物体来说，激光束汇聚形成的强聚焦光斑会形成一个类似“陷阱”的机构，微粒将会被束缚在其中。如果移动聚焦光斑，微粒也会随之移动，于是人们便能实现对微粒的捕获和操控，这就是光镊技术。用光镊技术，无需接触物体，就可以对细胞进行精确的操作，而且不会产生机械损伤。因此在生命科学研究中，几乎所有的单细胞操作都采用光镊技术进行。

光镊技术在生物学研究领域已经有了相当广泛的应用，例如将不同细胞挤压在一起，或者向细胞中注入微量物质，都是光镊技术在大显身手。

2018年的诺贝尔奖的颁奖仪式已经落下帷幕，可司空见惯的光还有多少未知之谜在等着人们去探索和发现呢？