给老妈讲诺贝尔奖：2018年物理学奖的啁啾是什么？| 小炉匠沙龙

​​撰文 |  吴建永（美国乔治城大学教授）

2018年物理学诺贝尔奖的一半授予了发明激光“啁啾”技术的穆鲁和斯特里克兰。据八卦消息说，穆鲁教授有一天去滑雪，在缆车上突然得了灵感，结果这项技术引发了激光技术的革命，还一不小心得了诺贝尔奖。

如今最热门的追星就是诺贝尔奖了，连老妈都追。2018年10月初那两天，几大微信公众号都在那儿热火朝天地直播，老妈看了一篇又一篇，最后只学了一个新名词叫“啁啾”（读成“周揪”，不是“稠秋”），好像说的是激光技术，得了物理奖。老妈人老思想不老，她觉得能得诺贝尔奖的一定是个新奇的点子。那么这妙不可言的“啁啾”，能不能讲得让我们老百姓也能听懂呢？

“春节”长假我去看她老人家，一进门她就问我为啥激光要超短才能获奖？新闻里说短的激光比长的激光更强，可是常识里不是说光照的时间越长作用就越强吗？

吃饭的时候，我妈当着那么多亲戚朋友又缠着我问“啁啾”。老妈一说话，大家叽叽喳喳的聊天一下停了下来。为了不冷落大家，我就先提旧事说：您还记得咱们院的三德子和小娟吗？

话音没落，亲戚们又七嘴八舌说开了。那时我还小，搬迁前住北京的大杂院，就是每天早上要到胡同口公厕倒马桶的那种。三德子比我大几岁，中学没毕业就去广州深圳跑单帮，经常带回些稀奇古怪的洋货在院子里炫耀。有天吃晚饭的时候说要给大家照“全家福”。当时天擦黑，人脸都看不清了，可是三德子从兜里掏出一个纸壳的“傻瓜”照相机，到每家的小饭桌之前“咔嚓咔嚓”几下，小盒子发出闪电一样的炫目白光。

之后大家没当真，都快把这事忘了。可是三德子第二个月回来，却带回了一大叠鲜艳的彩色照片，每家都有。这绝对是院儿里的大事，当年在北京只见过“海鸥”牌的120相机，结婚时都能当彩礼，但海鸥相机只能在大太阳天照照黑白的照片，光线稍差点就虚了。而三德子那么个破“傻瓜”竟然在看不见脸的黑天照出了清晰而色彩鲜艳的照片，这让我们院一下就在胡同里出了名。所有的街坊邻居都记得这件事，有人还说那是他家第一张彩照。

六姑抢着说，当时她就发现了三德子和小娟的秘密：“ 那时侯正经的大姑娘都不化妆，可照片上的小娟子抹了红嘴唇。说明肯定是在照相前就跟三德子串通好了。”

老妈也跟着大伙儿一起欢快地乐，我趁机对她说这就是短的光照比长光照更强悍的例子了。那时院里家家晚上点个3瓦的小日光灯管，几米外都看不清人脸，更别说照相了。而那傻瓜相机的闪光灯竟相当于一个1万瓦灯泡的亮度。因为闪光灯只在照相机快门开启的时候亮百分之一秒，时间那么短，所以一万瓦也不但会把那纸壳子烧坏，而且时间短用电就少，一个小电池竟能保证36张照片张张得到充足的照明。如果用傻瓜机里的电池点那3瓦荧光管，就只能点一分钟不到。

老妈好像听明白了，说这不就是刀刃越薄刀越快的道理吗？闪光时间越短，能量就能更集中，发挥更强悍的作用。我趁老妈明白的时候接着说：“所以产生超强的激光器不是靠大，而是靠亮的时间短，就像灯管和闪光灯。同样的能量，如果亮的时间只有1万亿分之一秒，就等于把瞬间的亮度提高了一万亿倍。”老妈明白了，原来这“啁啾”就是把闪光变短的技术啊！

为了给老妈讲清怎样把光变成短短的一闪，我用路上行人作为例子。如果100个行人稀稀拉拉地走，通过一个街口用了100秒钟时间，算算人流密度就是每秒1人（100人除以100秒）。而如果大家抢货，一起跑，过这个街口用了10秒时间，人流的密度就是每秒10人（100除以10），提高了10倍。而如果100人参加赛跑，所有人都憋足劲集中在起跑线上等着。发令枪一响100人用0.1秒冲过起跑线，瞬间人流的密度就达到每秒1000人（100除以0.1），提高100倍。这三种情况里，稀稀拉拉的行人相当于点个3瓦管灯，抢货相当于闪光灯，而赛跑比赛相当于激光器。产生激光的时侯先在一块晶体里聚集能量，就像一群人憋着劲等发令枪。然后把能量一齐变成光子，步伐整齐地射出去，就形成了激光。

而激光器是不用发令枪的，让光子步伐整齐射出靠的是“抢跑现象”。赛跑时经常出现的抢跑现象，就是大家都憋足劲的时候突然有个人不等枪响先跑了，别人一看有人跑也都下意识地跟着跑。激光器里也是这样，晶体里聚集能量本来是憋在晶格的电子云里的，当聚集多了总会有光子抢跑，只要有一个光子窜出来，就使路径上的大量能量转换成很多的光子，而很多的光子会使更多的能量变成光子…… 如此的滚雪球效应，使整块晶体里大部分能量一瞬间变成短短的一股强光子流，行话叫一个“短脉冲”。老妈一听乐了，这不就像阿Q正传里说的，打土豪吃大户的时候需要有人吆喝“同去，同去”吗？

这时候亲戚们的注意力早就转移了，七嘴八舌地聊开了上春晚的两个小鲜肉以后会不会打架的问题。而老妈却埋怨我扯了半天，还没说出啥是啁啾。

我从桌上狼藉的杯盘中拣出一只“滑水”（红烧鱼的尾巴），一边咂着一边慢慢说，提高激光的亮度就要把光脉冲变得更短，就像把街上行军的队伍变短来提高人流密度。可是人流密度密度越高，行进速度就越慢，越慢后面人就越往前堵，这样越堵人流越密，越密越堵。最后后面人就追上前面的，出现踩踏事件。

光子密度越大速度也会越慢，行话叫“克尔效应”。因为克尔效应，晶体里的光柱越强就会变得越细，光柱越细则光子密度越高，最后出现“踩踏事件”，让光柱突然憋死在一个点上， 并把这个点烧坏。而得奖的这个“啁啾”就是破解光子踩踏事件的神器。就是用“上啁啾“ 先把短脉冲变宽，比如本来是一太秒（10-12秒或一亿亿分之一秒）变成1000太秒，扩宽了1000倍，这样它就能顺利地通过晶体，变得很强却不被憋死，然后从晶体里出来以后再用“下啁啾”把又强又宽的脉冲变回一太秒那么短，就产生了超强的短激光脉冲。

这次得奖的穆鲁教授在20世纪70年代末成天就琢磨怎样把激光做得更强。不光是他一个，世界上好多人都在那琢磨这个事。可是克尔效应是个自然规律，只要激光足够强，就会憋死。有这个门槛在，激光的强度就提不上去了。于是有人就琢磨土豪式的办法，用好多块大晶体做一大堆激光器。这样每块晶体里的光就没那么强，不会憋死。然后让好多块大晶体一齐出激光，就会变得很强。

而穆鲁教授是靠聪明打败土豪，想出了用啁啾放大的办法来解决光子踩踏问题，这样一个小装置就能胜过一大厂房的巨型激光器，所以他的发明也叫“桌上太瓦激光器（英语” 桌上太瓦”是“Table Top Terawatts”，所以也叫 T3 激光器）。

这里，怎样把短脉冲变宽是个关键问题。据说，穆鲁教授曾没日没夜地想这个问题。有一天，他在滑雪的缆车上突然来了灵感，到山顶后雪也没滑，坐缆车又下来，一头扎进实验室，获得了成功。那灵感是哪来的呢？八卦消息说是因为看到了缆车上那长长的缆绳。光也可以在长长的光缆中跑。当光缆很长时，红光会跑得慢些，蓝光却快些，这样就出现了“上啁啾”过程。这有点像人跑马拉松，虽然一起起跑，但在漫长的路上，有人快有人慢，逐渐人流就稀薄了，能安全通过街区而不出现踩踏。这样上啁啾过的光就能够安全地通过晶体。然后呢，再用“下啁啾”的办法把脉冲缩短变成超强激光。

为了怕老妈听不懂。我就一边画一边讲（图1）。图中用的都是术语，里面“展宽器”和“压缩器”顾名思义就是用来展宽和压缩光子流的。啁啾本来是个文绉绉的词，用来描绘鸟儿“吱”的叫一声， 比如宋朝的诗“日暮啁啾燕雀飞”。后来物理学就借用这个词来描绘变化的声波、光波和电波。因此把短脉冲光波展宽/缩短的技术也就被称为上/下啁啾技术了。

图1 2018年诺贝尔物理学奖原理示意图。左边红色的一个小尖尖是放大前的激光脉冲，又小又窄。这脉冲通过“展宽器”实现上啁啾，变成中间那个矮胖的宽的脉冲，再通过晶体放大成右二那个高胖的脉冲，最后通过压缩器实现下啁啾，就产生的最右边那个又高又窄的超强短脉冲。

我给老妈看了一张同获2018年物理学诺贝尔奖的女教授的照片。她身旁就放着一大卷用于上啁啾的光纤。他俩的第一篇文章用了1.4公里长的光纤。拍照时斯特里克兰才二十多岁，是穆鲁教授的研究生。

亲戚们一听是中年教授和年轻女学生在黑屋里的故事（图2），呼啦一下围过来，对她的毛衣和眼镜评头品足。我赶紧解释那眼镜可不是那年代的时尚，而是防止激光伤眼睛的保护目镜（2018年10/15 深夜初稿于华盛顿）。

图2  分享诺奖的斯特里克兰（Donna Strickland）教授，摄于1980年代。斯特里克兰教授是继居里夫人和她女儿之后第三位获得诺贝尔物理学奖的女科学家。

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