从杠杆到量子 · 一部按时间走的物理学第 19 章 / 第三单元 · 光

第 19 章 · 1947—2025

今天的光

激光有了以后，人们拿光做成了几件过去做不到的事：把光波的形状整个记下来，用光抓住一个活细菌，把光压成最短最强的闪光，看清比光波还小的东西。

阅读约 28 分钟两个可以动手的演示公式：3 个

序章第三单元 · 光 · 7 / 7终章

时代速写眼科诊所里的一束飞秒激光

今天，很多眼科诊所的近视手术里有这样一步：病人躺好，一台激光每秒打出十万个以上的脉冲，每个脉冲的能量只有约 120 纳焦，聚焦成几微米的光点，沿着一圈圈向内收紧的螺旋，在角膜内部切出一块直径约 6 毫米、中心厚约 100 微米的透镜状组织，再从一个约 4 毫米的小切口取出来¹。

角膜表面几乎没被碰过，切口却在里面。做得到这一点，是因为每个脉冲只持续飞秒量级，能量来不及变成热扩散出去，周围组织几乎不受损伤¹。这样的脉冲，背后有两件事：1985 年美国罗切斯特大学一位女研究生发表的第一篇论文，和 1990 年代初密歇根大学实验室里的一次事故^2,3。

上一章讲到，激光在 1960 年问世，光纤把它变成了互联网的骨干。这一章看激光的另一条路：物理学家拿这种全新的光去碰以前碰不了的问题。这一章会遇到六个诺贝尔奖，其中两个是化学奖。

1947复活节，在英国拉格比的一家电气公司实验室里，伽博想到了全息的基本原理⁴。
1963密歇根大学的利思和乌帕特尼克斯用激光拍出第一批清晰的全息图，全息从此复兴⁴。
1970贝尔实验室的阿什金发表论文：激光能推动并俘获水里的微米小球^1,5。
1985斯特里克兰和穆鲁发表啁啾脉冲放大，激光强度从此大幅跃升^2,6。
1986—1987阿什金做出单光束光镊，并用它抓住了活细菌^1,7。
1987吕利耶等人在法国用红外激光照射稀有气体，发现一长串强度相近的高次谐波^8,9。
2000赫尔用受激发射损耗显微镜拍到大肠杆菌，越过了阿贝的衍射极限¹⁰。
2001第一批阿秒脉冲在法国和奥地利被测量出来^8,9。
2006贝齐格等发表单分子定位显微术，最初的样机搭在一位朋友的客厅里^10,11。
2025美国国家标准与技术研究院的铝离子光钟，准确度达到小数点后第 19 位¹²。

问题光碰到的四堵墙

到 1960 年代，人们对光的本性已经知道得很多：它是电磁波，也是一份份的光子。激光又带来了前所未有的“整齐”的光。可在实际使用里，光还卡在几堵墙前面：

墙一 · 相位照片只记亮暗胶片和眼睛只感受光的强弱。光波的“步调”，也就是波峰在哪里，全丢了。一张照片再清楚，也只是一个平面。

墙二 · 力光推不动东西阳光照在身上，我们觉得热，却感觉不到一丁点儿推力²。光确实带着动量，但它的力小得没法用。

墙三 · 强度放大器先坏脉冲越短越好用，可到 1980 年代中期，短脉冲再放大，就会把放大用的晶体和玻璃烧坏^2,1。

墙四 · 尺度太小、太快光学显微镜看不清小于约 0.2 微米的东西¹⁰；最短的闪光停在飞秒量级，而电子的变化发生在阿秒尺度，可以短到飞秒的千分之一⁸。

这四堵墙，后来一堵一堵被绕了过去。有意思的是，几乎没有一次是正面推倒的。下面按时间顺序讲。

1947 — 1971全息：把光波的形状也拍下来

1947一张“坏照片”的主意

丹尼斯·伽博（Dennis Gabor）1900 年生于布达佩斯，在柏林学的是电气工程。1933 年希特勒上台后他离开德国，1934 年进了英国汤姆孙—休斯敦公司（BTH）在拉格比的研究所¹³。他回忆说，自己 15 岁就迷上了阿贝的显微镜理论和李普曼的彩色照相，三十年后这两样都派上了用场¹³。

1947 年，他关心的是电子显微镜。电子显微镜的分辨力已经比最好的光学显微镜高了约一百倍，可还是让人失望：它看不清晶体里的原子排列。电子的波长足够短，问题出在电子透镜上。按当时的理论，电子透镜的像差根本没法消除，分辨极限大约 4 埃，实际只做到 12 埃左右，离看清原子还差一截⁴。

伽博在诺贝尔演讲里说，他琢磨了很久，“1947 年复活节的一个好天气”，答案突然冒了出来：何不先拍一张坏的电子照片，只要它包含全部信息，再用光学的办法把它校正过来⁴？

相位去哪儿了

难处在于，普通照片记录不了全部信息。光是波，每一点上有两样东西：振幅（多亮）和相位（波此刻走到了波峰还是波谷）。胶片只对亮度起反应，相位全丢了。伽博的话很直白：没有东西可以跟它比较，相位当然会丢⁴。

他的办法是给它一个比较的标准。让物体散射出来的光，和一束没碰过物体的、步调整齐的光（后来叫参考光）叠在一起。两束光在哪里步调相同，哪里就亮；步调相反，就暗。底片上于是出现一片细密的干涉条纹，条纹的位置里藏着物体光波的相位⁴。冲洗之后，只用参考光去照这张底片，条纹会把光重新“折”成原来物体发出的那种波，人眼看过去，物体好像还在原处⁴。他把这张记录叫作 hologram，来自希腊文 holos，“全部”，因为它记下了全部信息⁴。

丹尼斯·伽博的黑白照片，1971 年：戴黑框眼镜，左手举起一根细长的透明条，身后是仪器 — **丹尼斯·伽博**，1971 年，这一年他因全息获诺贝尔物理学奖。照片里他举起一根细长的透明条，身后是实验设备；原照片没有说明那是什么。他的身份是电气工程师，一生做了很多发明，全息是最出名的一个^13,14。美联社照片，公有领域 · Wikimedia Commons

1948汞灯下的第一批全息图

BTH 是电气公司，不做光学。伽博后来说，幸亏这个想法是从电子显微镜来的；姊妹公司大都会—维克斯造电子显微镜，研究主任才批准他做光学实验⁴。

实验很难。全息要求光非常“整齐”，那时最好的光源是高压汞灯，可它的相干长度只有 0.1 毫米，够出两百来条条纹。为了让光在空间上也整齐，伽博和助手威廉斯只取汞灯的一条谱线，去照一个直径 3 微米的针孔。剩下的光只够拍直径约 1 厘米的全息图，被拍的物体是直径约 1 毫米的缩微照片，每次曝光要几分钟⁴。1948 年，他在《自然》杂志上发表了《一种新的显微原理》^15,4。

重建出来的像有一个毛病：每张全息图总会同时重建出两个像，另一个像叠在上面，把字母拉得变形。光源太弱、相干性太差，所有东西只能排在一条直线上，孪生像躲不开⁴。大约 1955 年起，全息进入了伽博所说的“漫长冬眠”⁴。

伽博差点发明了激光

伽博在诺贝尔演讲的脚注里说，常有人问他为什么没发明激光。其实他想过：1950 年，他需要一个强的相干光源，想起 1921 年在柏林听爱因斯坦亲口讲过受激辐射，于是构想了一种脉冲激光器。他把这个题目交给自己最好的学生做博士论文，学生嫌风险太大没接⁴。这是伽博本人多年后的回忆。

1962—1964激光让全息复活

复兴来得“突然而爆炸性”，伽博这样形容⁴。1963 年，密歇根大学的埃米特·利思（Emmett Leith）和尤里斯·乌帕特尼克斯（Juris Upatnieks）发表了第一批成功的激光全息图。利思从 1955 年起就在一个保密的侧视雷达项目里研究类似的原理，只不过用的是雷达波⁴。

激光是关键。1962 年的氦氖激光，相干长度已经是汞灯的约 3000 倍⁴。参考光不必再穿过物体，可以从旁边斜着绕过去，两个重建像于是在角度上分开，孪生像的问题就此解决⁴。1964 年，他们拍出了立体物体的全息图，很快还在一张底片里存下了 12 幅不同的画面⁴。差不多同时，苏联的尤里·杰尼休克（Yuri Denisyuk）在 1962 年提出了反射式全息，原则上可以用普通白光照着看；他手里没有激光，只能做出原理验证，可用白光照明的反射全息到 1965 年才由别人做成⁴。1971 年，伽博独自获得诺贝尔物理学奖，“因为发明和发展了全息方法”¹⁴。

1969 — 1987光镊：用光抓住一个细菌

1969一个数量级估算

阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）1922 年生于纽约，1952 年在康奈尔大学拿到博士²。激光一问世，他就在贝尔实验室拿它做实验²。

光有动量，照到东西上就会推它一下。阳光的推力小得察觉不到，但激光可以聚焦到很小的一点。1969 年，阿什金做了一个粗算⁷：假设一束 1 瓦的激光聚焦到一个半径约为一个波长的小颗粒上，颗粒像镜子一样把光全部原路反射回去。

F = 2P ÷ c

F: 光对物体的推力（牛顿）
P: 照到物体上的光功率（瓦）
c: 光速，每秒 3 亿米
2: 光被原路反射，动量从“向前”变成“向后”，变化量是原来的两倍；如果光被完全吸收，就没有这个 2

读法：1 瓦的光，推力只有 2 ÷ 300 000 000，约 7 × 10⁻⁹ 牛，相当于不到 1 微克的东西受到的重力。可一个半径 1 微米、密度和水差不多的小球，质量只有约 4 × 10⁻¹⁵ 千克，这点力能给它十万倍重力加速度以上的加速度。

阿什金的结论正是这样：力的绝对值很小，但颗粒更小，加速度约为重力加速度的 10⁵ 倍，应该能看到明显的运动⁷。他把透明的乳胶小球悬在水里，避免发热带来的干扰，只用了几毫瓦的光，小球就被推着走了⁷。

意外：小球往光最亮的地方钻

出乎意料的是，小球不光被往前推，还被拉向光束的中心²。原因在于折射。激光束中间亮、两边暗。光穿过一个折射率比水高的透明小球时会拐弯，拐弯就意味着光的动量变了，小球受到反方向的力。靠近光束中心那一侧的光更强，给的力更大，合起来就把小球往最亮处拉。这个力叫梯度力^1,7。

有了这个力，就能做“光阱”。1970 年，阿什金用两束相向的激光把小球固定在三维空间里¹。1986 年，他和同事只用一束光，经过显微镜物镜强烈聚焦，梯度力在焦点附近大到能把颗粒往回拉，抵消光往前推的力，颗粒就被“夹”在焦点上¹。这种单光束光阱后来叫光镊，能抓住几十纳米到几十微米的颗粒¹。同一年，阿什金和朱棣文等人在贝尔实验室用光阱抓住了原子^1,7，那是激光冷却的故事，第 37 章再讲。

1987被污染的样品

把光镊用到生物上，起因是一次意外。阿什金当时在抓烟草花叶病毒，样品里却出现了越来越多会自己游动的大颗粒，偶尔被光阱抓住，散射出一阵乱闪的光⁷。按诺贝尔委员会的科普文章，是样品放了一夜没盖²。他怀疑是细菌污染，把光阱装进显微镜里一看，果然是活的细菌被光抓住了，然后被绿光（514.5 纳米的氩离子激光）照死。阿什金给这种死法起了个名字，叫 opticution，意思是“光刑”⁷。

换成波长 1.06 微米的红外激光，情况完全不同⁷。细菌在红外光里安然无恙，甚至在光阱里繁殖²。此后他抓过各种细菌、病毒和活细胞，还证明了光镊可以伸进细胞内部摆弄细胞器，而不弄破细胞膜²。

光镊最重要的用途之一，是给细胞里的“分子马达”称力气。1993 年，别的研究组用光镊夹住一颗挂着单个驱动蛋白（kinesin）的小珠，第一次直接看到这个蛋白沿着细胞骨架一步一步地走，每步 8 纳米，最大拉力约 5 皮牛¹。后来，人们用光镊分辨出 RNA 聚合酶沿着 DNA 一个碱基对、一个碱基对地往前挪，每步只有 0.34 纳米¹。

年迈的阿瑟·阿什金面带笑容的特写，画面有细密的像素纹 — **阿瑟·阿什金**，摄于 2018 年 12 月斯德哥尔摩的诺贝尔活动期间。仔细看他的胡子和毛衣，会发现细密的像素纹：这张照片拍的是屏幕上的影像。他获奖时 96 岁，是当时年龄最大的诺贝尔奖得主¹⁶。Bengt Nyman 摄，CC BY 2.0 · Wikimedia Commons

2018 年，阿什金因“光镊及其在生物系统中的应用”分得诺贝尔物理学奖的一半²。他是当时最年长的诺贝尔奖得主，第二年这个纪录被 97 岁的化学奖得主古迪纳夫打破¹⁶。

1985 — 2023更短、更强：从啁啾脉冲到阿秒

1985先拉长，再放大，再压缩

激光可以做成一闪一闪的脉冲。脉冲越短，同样的能量挤在越短的时间里，瞬间功率就越高。从 1970 到 1985 年，脉冲越做越短，可每个脉冲里的光子数几乎没涨¹。原因是放大器。纳焦级的小脉冲，最多放大到毫焦级，再往上，强光就会把放大用的晶体和光学元件打坏。唯一的办法是把光束做得很粗，降低单位面积上的强度，结果是只有国家实验室建得起的庞然大物，一天只能打几发¹。

唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland）从加拿大来到美国罗切斯特大学读博士。按诺贝尔委员会的说法，吸引她进激光物理的，是实验室里像圣诞树一样亮着的红绿光束，以及导师热拉尔·穆鲁（Gérard Mourou）的设想²。穆鲁的设想是：把短脉冲先在时间上拉长，峰值功率降下来，放心大胆地放大，最后再压缩回去²。灵感的来源有两种说法：诺贝尔委员会说来自一篇介绍雷达的科普文章^2,1；穆鲁本人后来回忆，是在滑雪缆车上看到一串椅子时疏时密，想到脉冲也可以这样拉开再收拢³。

拉长的办法是让脉冲穿过一段光纤。一个脉冲里含有不同颜色的光，在光纤里红光跑得比蓝光快，出来时红光在前、蓝光在后，脉冲被拉长了，颜色随时间由低到高地变化，像鸟叫声“啁啾”一样，所以叫啁啾脉冲¹。放大之后，再用一对光栅让蓝光走近路、红光走远路，各种颜色重新挤到一起¹。

做起来花了好几年²。他们新买了一卷 2.5 公里长的光纤，结果光进去出不来，原来光纤中间断了，最后只好用 1.4 公里凑合²。最难的是让拉伸和压缩严丝合缝地对上²。最初的实验里，纳焦级的种子脉冲在光纤里被拉长到约 300 皮秒，在钕玻璃放大器里放大，再压缩回 2 皮秒，能量 1 毫焦¹。论文 1985 年 12 月刊出，是斯特里克兰的第一篇科学论文^2,6。

P_峰 = E ÷ τ

P峰: 脉冲的峰值功率（瓦）
E: 一个脉冲携带的能量（焦耳）
τ: 脉冲持续的时间（秒）

读法：能量不变，时间越短，功率越高。1985 年那个 1 毫焦的脉冲，摊在 300 皮秒里约 330 万瓦，放大器受得了；压缩到 2 皮秒，变成约 5 亿瓦，涨了 150 倍。

这个办法叫啁啾脉冲放大，英文缩写 CPA。拉伸器很快换成了光栅对，脉冲能量可以从纳焦放大到焦耳，跨了九个数量级¹。实验室里出现了“桌面太瓦激光”，每秒打 10 发，峰值功率和过去一天只能打几发的巨型装置相当，大学课题组也买得起¹。1999 年，美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室造出了第一台拍瓦（10¹⁵ 瓦）激光；到 2015 年，全世界已建、在建和计划中的拍瓦级激光约有 50 台¹。穆鲁回到法国后发起了欧洲的“极端光基础设施”，分设在捷克、匈牙利和罗马尼亚，目标峰值功率 10 拍瓦²。

热拉尔·穆鲁的面部特写，白发，戴无框眼镜，正在微笑说话 — **热拉尔·穆鲁**，在巴黎综合理工学院。他 1944 年生于法国阿尔贝维尔，1985 年在罗切斯特大学指导斯特里克兰做出了啁啾脉冲放大²。École polytechnique / J. Barande 摄，CC BY-SA 2.0 · Wikimedia Commons

2018 年，穆鲁和斯特里克兰分得诺贝尔物理学奖的另一半，理由是“产生高强度超短光脉冲的方法”²。斯特里克兰是继 1903 年的居里夫人和 1963 年的格佩特-梅耶之后，第三位获诺贝尔物理学奖的女性¹⁶。

1987气体里冒出来的“泛音”

脉冲变强之后，还能不能变得更短？一个光脉冲至少要包含一个完整的光波振动。红光每秒振动约 430 万亿次，一次就要 2 飞秒多。所以在 1980 年代，用普通激光做的闪光，最短也就到飞秒，这被看成一条硬极限⁸。

出路来自乐器。同一个音，吉他和钢琴听起来不一样，是因为各自带着不同的泛音，也就是频率是基音整数倍的波。数学上，只要叠加足够多不同波长的波，就能拼出任意形状的波形，包括一个极短的尖峰⁸。1987 年，安妮·吕利耶（Anne L'Huillier）和同事在巴黎萨克雷的一个研究中心，用波长 1064 纳米的强红外激光照射稀有气体，发现气体发出了一长串频率是激光频率奇数倍的光，而且很多“泛音”强度差不多，形成一片“平台”^8,9。论文在 1988 年发表⁹。

这是怎么来的？激光的电场强到能把原子里的电子拽出去；电场方向一反转，电子又被拉回原子核附近，把一路上从电场里得到的额外能量一次性以紫外光放出来^8,9。每半个光周期发生一次，所以发出来的是一串极短的紫外闪光⁸。机制的理论在 1990 年代初才弄清，吕利耶在瑞典隆德大学继续这方面的研究^8,9。

2001 年，两个组差不多同时测到了阿秒脉冲。皮埃尔·阿戈斯蒂尼（Pierre Agostini）的组在法国测出一串脉冲，每个只有 250 阿秒；费伦茨·克劳斯（Ferenc Krausz）的组在奥地利分离出一个单独的 650 阿秒脉冲，并用它观察电子被拉离原子的过程^8,9。1 阿秒是 10⁻¹⁸ 秒。一秒钟里的阿秒数，和宇宙诞生 138 亿年以来经过的秒数差不多⁸。今天，脉冲已经能做到几十阿秒⁸。克劳斯的组发现，氖原子被电离时，2p 轨道的电子比 2s 轨道的晚 21 阿秒离开⁹。2023 年，三人分享诺贝尔物理学奖；吕利耶是第五位获此奖的女性^8,16。

这两条线并不是各走各的。高次谐波是在没有啁啾脉冲放大的条件下发现的，但后来大规模的研究，靠的正是 CPA 带来的高强度飞秒激光¹。

1873 — 2014看清比光波还小的东西

1873阿贝的极限

第 14 章里，列文虎克用一颗小透镜看到了微生物。两百年后，显微镜的玻璃已经磨得近乎完美，却碰到了一堵和玻璃无关的墙。1873 年，德国光学家恩斯特·阿贝（Ernst Abbe）发表了一个公式，说明显微镜能分辨的最小距离受光的波长限制¹⁰：

Δ = λ ÷ (2 n sin α)

Δ: 能分辨开的两个点的最小距离
λ: 光的波长。可见光约 400—700 纳米
n: 物镜与样品之间介质的折射率，空气是 1，水和油更大
α: 物镜能接收的光锥的半角。n sin α 合起来叫“数值孔径”

读法：分辨极限大约是波长的一半。蓝光约 200 纳米，红光约 350 纳米¹⁷。光是一种波，透镜再好，也没法把一个点成像成比这更小的点。

20 世纪的大部分时间里，人们认定光学显微镜看不清小于约 0.2 微米的东西¹⁰。大肠杆菌长约 1 微米，只比这个极限大几倍¹⁷；线粒体的轮廓勉强可见，单个蛋白质分子、普通大小的病毒都看不清¹⁰。电子显微镜看得清，但样品要经过处理，细胞最后都是死的¹⁰。

绕过这堵墙的，是荧光分子。科学家早就会给细胞里特定的分子挂上一个会发光的“标签”。可在普通荧光显微镜里，靠得近的标签一起发光，光斑糊成一团。两种独立的思路，分别从两个方向解决了这个问题。

1993—2000赫尔：只让中间一小点发光

斯特凡·赫尔（Stefan W. Hell）1990 年在海德堡拿到博士后，一直想绕过阿贝极限。德国的资深学者对此很怀疑，他便去了芬兰的图尔库大学¹⁰。1993 年，他在学生公寓里翻一本量子光学教科书，看到“受激发射”几个字，突然有了思路¹⁰。

受激发射正是激光的原理：一个处在激发态的分子，被合适的光一照，会立刻把能量以光的形式交出来，回到基态。赫尔的想法是：先用一束光把一小片区域里的荧光分子都激发起来；再用第二束环形的光，把中心以外的分子统统“熄灭”，只剩正中间纳米大小的一点在发光。让这个小光点扫过整个样品，就能拼出一张图，光点越小，图越清楚^10,17。第二束光越强，熄灭得越彻底，中间留下的光点就越小，原则上没有下限¹⁷。这叫受激发射损耗显微术（STED）。

他 1994 年发表了理论，文章没引起什么轰动，但为他换来了德国哥廷根马普研究所的一个职位¹⁰。2000 年，他用自己造的 STED 显微镜拍了大肠杆菌，分辨率比普通显微镜好了约三倍¹⁰。

同一片细胞骨架纤维的两种显微图像并排，伪彩色红黄：左半边标着 confocal，是一团模糊的光雾；右半边标着 STED，是一根根清楚的细丝 — **同一片样品，两种显微镜**。拍的是细胞里一种叫波形蛋白（vimentin）的骨架纤维，颜色是后加的伪彩色。**左半边**标着 confocal，是普通的共聚焦荧光显微镜，纤维糊成一团光雾；**右半边**标着 STED，能数出一根根细丝。两半左上角的小方框都是局部放大，对比更明显。左半边底部的白色比例尺是 2 微米。图中标注这是未经处理的原始数据，作者给出的分辨率约 25 纳米。Fabian Göttfert、Christian Wurm，CC BY-SA 3.0 · Wikimedia Commons

1989—2006莫尔纳尔与贝齐格：一次只亮几个

另一条路从单个分子开始。化学测量通常一次测几百万个分子，得到的是一个“平均分子”¹⁰。1989 年，在 IBM 圣何塞研究中心工作的威廉·莫尔纳尔（W. E. Moerner）第一个测到了单个分子的光吸收，实验是在液氦温度下对晶体里的并五苯分子做的^10,17。1997 年，他在加州大学圣迭戈分校发现，一种绿色荧光蛋白（GFP）的变体可以用光开关：用 488 纳米的光照，它发光，过一会儿熄灭；再用 405 纳米的光照一下，它又能重新发光¹⁰。

埃里克·贝齐格（Eric Betzig）此前在贝尔实验室做另一种显微镜。1995 年，他认定那条路走不下去，又不喜欢学术界，便辞了职。同年他发表了一个想法：如果同一时刻只有彼此相距超过 0.2 微米的分子在发光，每个分子的光斑就分得开，它的中心可以定得很准；把许多这样的图叠起来，就能得到远超阿贝极限的图像¹⁰。然后他去了父亲的公司¹⁰。

多年以后，他重新翻科学文献，读到了绿色荧光蛋白，又在 2005 年看到了能用光激活的荧光蛋白，意识到这正是十年前那个想法缺的工具：分子不必颜色不同，只要发光的时刻不同就行¹⁰。他当时没有工作，和朋友哈拉尔德·赫斯（Harald Hess）自己掏钱，在赫斯家的客厅里搭出了显微镜的关键部件¹¹。美国国立卫生研究院（NIH）的细胞生物学家利平科特-施瓦茨请两人到她的实验室，2006 年，他们在《科学》杂志上发表了这种方法，叫光激活定位显微术（PALM）^10,11。

为什么一个模糊的光斑能定得那么准？因为知道这团光来自一个点。光斑宽约 200 纳米，但它的中心可以用统计的办法估出来。收集到的光子数为 N，中心的误差约为 Δ ÷ √N；收集 100 个光子，就比阿贝极限好 10 倍¹⁷。下面的演示里可以分别试一试三种显微镜。

两个荧光分子：分得开吗演示 2 · 改变间距，切换三种显微方法

分子间距 120 nm

先用“普通荧光”把间距从 400 纳米慢慢拉到 100 纳米，看两个光斑怎样并成一个。再切到 STED，加大损耗光，或者切到单分子定位，采集几百次，同样 100 纳米的间距就分开了。注意单分子定位里每一个光斑并没有变小，变准的是对它中心的估计。

2014 年，贝齐格、赫尔和莫尔纳尔分享诺贝尔奖。这是一个化学奖，理由是“发展了超分辨荧光显微术”¹⁰。诺贝尔委员会的说法是：阿贝的公式依然成立，只是被绕过去了¹⁰。

概念快门、尺子和钟：光怎样量时间

前面几节的发现看起来各不相干。这一节把其中一条线拎出来讲透：测量一件事，工具必须比这件事更快、更细。

诺贝尔委员会用蜂鸟打比方。蜂鸟一秒钟拍翅膀 80 次，人眼看到的只是一团模糊、听到的只是嗡嗡声。要拍一张清楚的蜂鸟照片，曝光时间必须比拍一次翅膀短得多⁸。闪光灯、频闪摄影都是这个道理。往下推：分子里原子的振动一次要 10 到 100 飞秒¹⁸，所以 1999 年的诺贝尔化学奖颁给了泽维尔，他在 1980 年代末用几十飞秒的激光闪光，第一次“慢动作”地看到化学键怎样断开¹⁸。电子在原子里的变化更快，在 1 到几百阿秒之间⁸，要看清它，就要阿秒闪光。

下面这把梯子从 1 秒一直排到 1 阿秒，每一格比上一格短十倍。拖动滑块改变闪光的长短，看哪些事能被定格。

时间的梯子演示 1 · 拖动滑块改变闪光时长

闪光时长 1.0 fs

左边那一列值得多看一眼：1 飞秒里，光只走 0.3 微米，比一个细菌还短；1 阿秒里，光只走 0.3 纳米，大约一个原子那么宽。阿秒闪光就是这样一种“快门”，在它亮着的时间里，光自己都几乎没挪窝。

1999—2005光梳：给光频做一把尺子

同样的飞秒激光，还造出了另一样工具。可见光的频率在每秒 10¹⁵ 次的量级，而定义“秒”的铯原子钟，振荡要慢约十万倍。过去要把两者对上，得用一长串层层稳频的激光器和微波源，像接力一样一级级传过去¹⁹。

锁模的飞秒激光器发出的是一串间隔精确相等的脉冲。换到频率上看，它的光谱是一排间距完全相等的细线，像梳子的齿，也像尺子上的刻度。一个 5 飞秒的脉冲，大约对应一百万根这样的“梳齿”¹⁹。1999 年前后，德国的特奥多尔·亨施（Theodor W. Hänsch）意识到可以用这把尺子直接拿铯钟去量光频；2000 年前后，美国的约翰·霍尔（John L. Hall）和合作者把整把尺子的零点也定了下来¹⁹。要量一个未知的激光频率，只要看它和最近的一根梳齿“打拍子”的频率，这个拍频落在普通电子仪器就能数的无线电波段¹⁹。光学频率梳很快成了商用仪器，两人在 2005 年分享了诺贝尔物理学奖的一半¹⁹。

只点到：光钟和 LIGO

有了光梳，就能拿光的振荡当钟摆，做光学原子钟。国际计量局说，已经有几种光钟的系统不确定度比最好的铯喷泉钟低两个数量级²⁰。2025 年 7 月，美国国家标准与技术研究院宣布，他们的铝离子钟系统不确定度为 5.5 × 10⁻¹⁹；为了让它更稳，JILA 叶军实验室的超稳激光经街道下的光纤送了 3.6 公里过来，靠频率梳把稳定性“借”给了铝钟的激光¹²。粗算一下，这样一台钟就算从宇宙诞生走到今天，误差也只有零点几秒。国际计量界正在讨论用光钟重新定义“秒”，按国际计量局的路线图，2030 年的国际计量大会是决定的关键节点²⁰。原子钟本身的历史在第 37 章。

另一件只点到的是 LIGO。它的核心是一台迈克耳孙干涉仪（第 26 章会讲这种仪器的来历），光源换成了激光，两条臂各长 4 公里，激光在每条臂里来回反射约 300 次；它要量出的长度变化，比一个质子的千分之一还小²¹。它怎样听到引力波，是第 30 章的故事。

空中俯瞰的荒漠，两条白色长管从右下角的建筑出发，一条向远处延伸，一条向左延伸，成直角 — **LIGO 汉福德观测站**，美国华盛顿州。从右下角的主楼出发，**两条白色长管**成直角伸出，一条伸向画面远处，一条贴着画面下边向左延伸，每条长 4 公里。激光就在这两条管子里来回奔跑²¹。LIGO Laboratory，公有领域 · Wikimedia Commons

影响它怎么改变了世界

这一章的发现离日常生活有远有近。近的已经进了眼科诊所和钱包，远的还在国家实验室里。下面四条线，从实验台一直追到今天。

一 · 眼科：一次事故引出的手术

穆鲁把啁啾脉冲放大带到密歇根大学，在那里创建了超快光学科学中心。那时他们用飞秒激光研究化学反应，医学应用排在很后面³。1993 年进组的研究生 Detao Du，有天晚上校准飞秒激光的反射镜时抬起了护目镜，被一束杂散光击中，眼前一闪。眼科住院医生罗恩·库尔茨（Ron Kurtz）给他检查，发现视网膜中央留下一串极其精确、完全圆形的针尖状灼伤，和当时临床用的任何激光都不一样³。这次事故让眼科医生和激光物理学家坐到了一起。

1994 年，两人在光学会议上报告结果，遇到了在加州大学尔湾分校研究飞秒激光眼科应用的蒂博尔·尤哈斯（Tibor Juhasz），他早年在罗切斯特做过穆鲁的博士后³。1997 年，库尔茨和尤哈斯创办了 IntraLase 公司，2001 年推出世界上第一台商用飞秒眼科激光，用激光代替刀片切开角膜³。按美国金鹅奖的介绍，这类手术如今每年有两三百万例，累计受益的人数以千万计；2008 年两人又把飞秒激光用到了白内障手术上³。诺贝尔委员会的说法是：每年有数以百万计的眼科手术用上了“最锋利的激光束”²。同样的飞秒激光还被用来在血管支架上钻出精细的孔^2,1。

二 · 生物学：看得见、摸得着的分子

光镊在许多实验室已经是标准设备，用来研究单个蛋白质、分子马达、DNA 和细胞的内部生活²。驱动蛋白每步 8 纳米、RNA 聚合酶每次挪一个碱基对，这些数字都是用光镊量出来的¹。诺贝尔委员会还提到，成千上万个光镊同时工作，可以把健康的血细胞和被感染的分开，将来可能用于对付疟疾²。

超分辨显微术让生物学家在活细胞里看到单个分子的位置。三位获奖者自己就在用：赫尔观察活神经细胞的突触，莫尔纳尔研究与亨廷顿病有关的蛋白质，贝齐格追踪胚胎里的细胞分裂¹⁰。当年在 NIH 接待贝齐格的利平科特-施瓦茨后来说，这种技术“像野火一样”蔓延到生物学的许多领域¹¹。

三 · 全息：从轮胎检测到信用卡

伽博 1971 年在诺贝尔演讲里说，当时全息最重要的工业应用是无损检测。给一只汽车轮胎拍一张全息图，吹一点热气，再在同一张底片上拍第二张。轮胎完好，只有几条稀疏的条纹；哪里橡胶层没粘牢，那里鼓起几千分之一毫米，条纹立刻挤成一团。第一家全息公司就是做这个的⁴。

1983 年的一篇报道说，万事达卡打算在三年内给全部 8000 万张卡印上小小的全息图，防止伪造；前一年伪卡给信用卡业造成了约 4000 万美元的损失。同一篇报道也说，有人觉得这更像营销噱头²²。压印在塑料薄片上的全息图，就这样从实验室走进了钱包。伽博当年要解决的是电子显微镜的问题，最后落到了每个人的钱包里。

四 · 精密测量与“极端光”

光梳把光的频率和原子钟连了起来，让光钟成为可能，也让测频率这件事从少数实验室的大工程变成了一台商用仪器¹⁹。诺贝尔委员会在 2005 年就预期，这种精度会让卫星导航更准，也能用来检验自然常数是否随时间变化¹⁹；国际计量局也提醒，要让各国共享这种精度，现有的卫星授时链路还不够，需要光纤链路等新手段²⁰。

啁啾脉冲放大则把激光推向另一个极端。拍瓦级激光可以在等离子体里激起“尾波”加速电子：伯克利实验室用这种办法在 9 厘米内把电子加速到 42 亿电子伏特，加速梯度比传统射频加速器高至少两个数量级¹。将来更小、更便宜的加速器也许能装进医院做放疗，但诺贝尔委员会也承认，离实际使用还有许多难关¹。

误解全息、光镊和“推翻阿贝”

误解一 · 电影里悬在半空的立体影像就是全息

伽博的全息图是一张记录了干涉条纹的底片。要看到立体像，必须用光照着这张底片，光从底片出来进入你的眼睛，像才出现在底片后面或前面的位置⁴。底片本身看上去一点也不像物体：用漫射光拍的全息图，伽博形容它“看起来像噪声”，打碎了的一小片仍能重建整个物体，只是噪声更多⁴。科幻片里凭空站在桌面上的人像，空中并没有任何东西让光改变方向，这不是全息的原理。

误解二 · 光镊是用光把东西“夹”住

光镊没有两根“钳臂”。它是一束聚焦的光，靠折射产生的梯度力把颗粒拉向光最强的焦点^1,7。这要求颗粒的折射率比周围的液体高¹。它也不是越强越好：阿什金用绿光抓细菌，细菌死了，换成红外光才活下来⁷。

误解三 · 超分辨显微镜推翻了阿贝极限

诺贝尔委员会特意强调：阿贝的公式依然成立，只是被绕过去了¹⁰。STED 让同一时刻只有比光斑小得多的一点在发光；单分子定位让同一时刻只有相距足够远的几个分子在发光^10,17。两者都没有让一个光斑变小，都是利用荧光分子能开能关，把“同时”变成了“轮流”。

误解四 · 啁啾脉冲放大是为了眼科手术发明的

斯特里克兰和穆鲁要解决的是“激光强度上不去”这个纯物理问题^2,1。密歇根的超快光学中心当时拿飞秒激光研究化学反应，医学应用排在很后面；眼科的路是一次实验室事故和此后多年的合作踩出来的³。从论文到第一台商用眼科飞秒激光，隔了十六年。

承上启下光这条线走到了哪里

上一章结尾，激光和光纤把信息送进了全世界的海底光缆。这一章看到激光的另外几种用法：伽博在激光出现前就想到的全息，靠激光才真正做成；阿什金用激光抓住细菌；斯特里克兰和穆鲁把激光压得更短更强，又引出了阿秒脉冲和光梳；荧光分子和受激发射，让显微镜越过了阿贝极限。第三单元到这里结束，从第 13 章的小孔成像算起，人类对光的掌控走到了阿秒和纳米。

这一章里几条线已经和别的单元缠在一起：光镊抓原子，通向第 37 章的激光冷却和原子钟；LIGO 的干涉仪，连着第 26 章的以太实验和第 30 章的引力波；高次谐波里电子被拽出又拉回，要用第 34 章的量子力学才能讲清。

下一章开始第四单元，换一条完全不同的线：电与磁。它的起点不在实验室，而在中国古书里的磁石和司南，以及宋代船上的罗盘。这条线一路走到 19 世纪，会在第 24 章和光这条线会合：麦克斯韦将证明，光本身就是一种电磁波。

自测五个问题

1. 伽博为什么要在物体光之外再加一束“参考光”？他 1948 年的全息图为什么效果不好？

胶片只记录光的强弱，丢掉相位。加一束步调整齐的参考光和物体光叠加，干涉条纹的位置就记下了相位；再用参考光照底片，就能重建原来的光波。1948 年只有相干长度 0.1 毫米的汞灯，所有东西只能排在一条直线上，重建时孪生像叠在一起。1962 年后激光的相干长度大了约 3000 倍，参考光可以斜着绕过物体，问题才解决。

2. 阿什金的小球为什么会被拉向光束中心？他为什么后来改用红外激光？

光穿过折射率比水高的小球时拐弯，动量改变，小球受到反作用力；光束中心更亮，这一侧的力更大，合力把小球拉向最亮处，这就是梯度力。改用红外光，是因为绿光会把被抓住的细菌照死，换成 1.06 微米的红外光后，细菌安然无恙，甚至能在光阱里繁殖。

3. 啁啾脉冲放大分哪三步？为什么要先把脉冲拉长？用 P = E ÷ τ 说明。

拉长、放大、压缩。拉长后同样的能量摊在更长的时间里，峰值功率降低，放大器不会被打坏。1985 年的实验里，1 毫焦的脉冲在 300 皮秒里约 330 万瓦，压缩到 2 皮秒后约 5 亿瓦，峰值功率提高约 150 倍。

4. 阿贝极限大约是多少？STED 和单分子定位分别怎样绕过它？

约为光波长的一半，可见光大约 0.2 微米。STED 用第二束环形光把中心以外的荧光分子熄灭，只让纳米大小的一点发光，再扫描成像。单分子定位每次只让少数相距很远的分子发光，从光斑定出每个分子的中心，误差约为 Δ ÷ √N，再把多次结果叠加。两者都没有让光斑变小，阿贝公式仍然成立。

5. 为什么研究电子在原子里的运动需要阿秒脉冲？1 阿秒里光能走多远？

测量工具必须比被测的变化更快，就像拍蜂鸟要用比拍一次翅膀短得多的曝光。电子位置和能量的变化在 1 到几百阿秒之间，飞秒闪光太“慢”，会把这些变化糊掉。1 阿秒里光只走约 0.3 纳米，差不多一个原子的宽度。

参考来源本章依据

The Royal Swedish Academy of Sciences, “Groundbreaking inventions in laser physics” (Scientific background on the Nobel Prize in Physics 2018), 2018. nobelprize.org
The Royal Swedish Academy of Sciences, “Tools made of light” (Popular science background, The Nobel Prize in Physics 2018), NobelPrize.org, 2018. nobelprize.org
The Golden Goose Award, “Awardees: Tibor Juhasz, Ron Kurtz, Detao Du, Gérard Mourou, and Donna Strickland” (LASIK), 2022. goldengooseaward.org
D. Gabor, “Holography, 1948–1971”, Nobel Lecture, 11 December 1971. nobelprize.org
A. Ashkin, “Acceleration and trapping of particles by radiation pressure”, Phys. Rev. Lett. 24 (1970) 156–159. doi.org
D. Strickland, G. Mourou, “Compression of amplified chirped optical pulses”, Optics Communications 56 (3) (1985) 219–221.
A. Ashkin, “Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers”, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94 (1997) 4853–4860. pmc.ncbi.nlm.nih.gov
The Royal Swedish Academy of Sciences, “Electrons in pulses of light” (Popular science background, The Nobel Prize in Physics 2023), 2023. nobelprize.org
The Royal Swedish Academy of Sciences, “For experimental methods that generate attosecond pulses of light for the study of electron dynamics in matter” (Scientific background on the Nobel Prize in Physics 2023), 2023. nobelprize.org
The Royal Swedish Academy of Sciences, “How the optical microscope became a nanoscope” (Popular science background, The Nobel Prize in Chemistry 2014), 2014. nobelprize.org
NIH Intramural Research Program, “Eric Betzig’s Nobel Prize, a homegrown success”, National Institutes of Health, 2014. irp.nih.gov
NIST, “NIST Ion Clock Sets New Record for Most Accurate Clock in the World”, July 2025；M. C. Marshall et al., “High-stability single-ion clock with 5.5×10⁻¹⁹ systematic uncertainty”, Phys. Rev. Lett. (2025). nist.gov
D. Gabor, Biographical, Les Prix Nobel en 1971, NobelPrize.org. nobelprize.org
NobelPrize.org, The Nobel Prize in Physics 1971 (summary). nobelprize.org
D. Gabor, “A new microscopic principle”, Nature 161 (1948) 777–778. doi.org
NobelPrize.org, “Nobel Prize facts”（最年长得主）与 “Nobel Prize awarded women”. nobelprize.org ；nobelprize.org
The Royal Swedish Academy of Sciences, “Super-resolved fluorescence microscopy” (Scientific background on the Nobel Prize in Chemistry 2014), 2014. nobelprize.org
The Royal Swedish Academy of Sciences, Press release: The Nobel Prize in Chemistry 1999 (Ahmed Zewail), 1999. nobelprize.org
The Royal Swedish Academy of Sciences, Popular information: The Nobel Prize in Physics 2005 (Glauber, Hall, Hänsch), 2005. nobelprize.org
BIPM, “Frequently Asked Questions concerning the Redefinition of the Second” (v2.0). bipm.org
LIGO Laboratory (Caltech), “LIGO’s Interferometer”. ligo.caltech.edu
S. Armstrong, “Holograms move from 3-D oddities to useful tools”, The Christian Science Monitor, 10 May 1983. csmonitor.com

图片：均来自 Wikimedia Commons，许可见各图说明。