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
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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。
撰文 | 吴建永（美国乔治城大学教授）
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。
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）。
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