ארתור אשקין (Arthur Ashkin): מחזיק את החיים דוממים בעזרת אור
כשהיה בן עשר, בברוקלין של תקופת השפל הגדול, הוקסם ארתור אשקין מרדיומטר של קרוקס – אותה נורה קטנה עם כנפיים שחורות-לבנות המסתובבת כאשר מאירים עליה. הוא הבין שחום, ולא האור עצמו, הוא הגורם לדחיפה, ושם לב שהכנפיים משנות כיוון אם מחממים את הנורה מבחוץ. שישים שנה לאחר מכן תעניק לו ועדת פרס נובל מחצית מפרס הפיזיקה עבור הגרסה הבוגרת של אותה שאלת ילדות: האם אלומת אור יכולה באמת לתפוס חומר? היא יכלה. הוא היה בן תשעים ושש כשבישרו לו, והוא אמר שהוא לא יכול להתרגש מזה יותר מדי.
ברוקלין, מכ"ם ואח שהגיע לשם קודם
אשקין נולד ב-2 בספטמבר 1922 בברוקלין, ניו יורק, בנם של איסדור אשקין, שהיגר מאודסה בגיל שמונה-עשרה והקים מעבדה דנטלית במנהטן, ושל אנה פישמן. היו להם שלושה ילדים ששרדו: אח בכור בשם ג'וליוס, ארתור, ואחות צעירה בשם רות. ג'וליוס הציב רף מרתיע, כשהשלים דוקטורט בפיזיקה באוניברסיטת קולומביה בגיל עשרים ושתיים וניהל בסופו של דבר את המחלקה לפיזיקה בקרנגי טק (Carnegie Tech).
ארתור הלך בעקבותיו לקולומביה ב-1940, לאחר שסיים את התיכון על שם ג'יימס מדיסון. המלחמה קטעה את לימודיו; הוא בילה אותה כטכנאי במעבדת הקרינה בבניית מגנטרונים למכ"ם צבאי, תחת מפקח בשם סיד מילמן (Sid Millman) שיתגלה כגורם מכריע פעמיים. אשקין סיים את התואר הראשון בפיזיקה ב-1947 עם אות Phi Beta Kappa, ואז עבר לאוניברסיטת קורנל במסגרת חוק ה-G.I. Bill, שם קיבל את הדוקטורט שלו בפיזיקה גרעינית ב-1952 עם תזה על פיזור אלקטרונים-פוזיטרונים. בקורנל פגש את אלין, לה נישא ב-1954 ושנותר נשוי לה במשך יותר משישים שנה.
ארבעים שנה במעבדות בל
מילמן, שהיה אז במעבדות בל (Bell Laboratories), המליץ על הטכנאי הוותיק שלו. אשקין הגיע ב-1952 ונשאר ארבעים שנה. העשור הראשון הוקדש למיקרוגלים ושפופרות אלקטרונים – עבודה מכובדת אך חסרת ייחוד. אז הגיע הלייזר, ובסביבות 1960 שינה אשקין תחום לחלוטין, ועבר לאופטיקה לא-ליניארית, סיבים אופטיים, מתנדים ומגברים פרמטריים. במהלך שנות ה-60 הוא היה בין המגלים השותפים של האפקט הפוטו-רפרקטיבי בגבישים פיאזואלקטריים. בסופו של דבר הוא החזיק בארבעים ושבעה פטנטים.
אך הוא מעולם לא זנח את שאלת הרדיומטר. אור נושא תנע. זה לא שנוי במחלוקת – מקסוול כבר אמר זאת, ולחץ קרינה הוא הסיבה לכך שזנבות של שביטים מצביעים הרחק מהשמש. הבעיה היא שהכוח קטן באופן אבסורדי. איש לא ציפה שזה יהיה שימושי לדחיפת משהו שניתן לראות.
מה עושים מלקחיים אופטיים באמת
התובנה של אשקין הייתה שלייזר לא רק דוחף. אם ממקדים אלומה בחוזקה, נוצר גרדיאנט חריף בעוצמה – בהיר מאוד בנקודת המוקד, ועמום יותר במרחק שבריר מילימטר משם. חלקיק שקוף שנמצא בתוך הגרדיאנט הזה מתנהג כמו עדשה זעירה, המכופפת את האור העובר דרכה. לפי החוק השלישי של ניוטון, כיפוף מסלול האור דוחף בחזרה את החלקיק, והתוצאה הסופית היא כוח שמושך את החלקיק לעבר הנקודה הבהירה ביותר ומחזיק אותו שם.
Twenty questions, eight minutes on the clock, and a percentile measured against everyone who has taken it. No sign-up.
Take the IQ test →לכן פועלים שני כוחות: כוח הפיזור, שדוחף את החלקיק לאורך האלומה, וכוח הגרדיאנט, שמושך אותו הצידה אל ליבת האלומה. איזון ביניהם יוצר מלכודת. אם הופכים את המיקוד לחד מספיק, כוח הגרדיאנט לבדו יכול להחזיק חלקיק כנגד הדחיפה, בכל שלושת הממדים, בעזרת אלומה אחת. אלו הם מלקחיים אופטיים: קשר של אור שבו לכוד משהו.
אשקין פרסם את המאמר הראשון על לכידה אופטית ב-1970. המחלקה לפיזיקה תיאורטית של מעבדות בל דחתה אותו תחילה; הבוס שלו רודי קומפנר (Rudi Kompfner) דחה את החלטתם ואמר לו פשוט לשלוח אותו. זה הפך למאמר המצוטט ביותר באותה שנה ומאז עבר חמשת אלפים ציטוטים. ב-1971 הוא הציף כדורי זכוכית קטנים כנגד כוח הכבידה. מלכודת הגרדיאנט של אלומה אחת – המלקחיים האמיתיים – הגיעה בשנות ה-80, כאשר הטכניקה מתוארכת באופן מקובל לשנת 1986.
מחרוזי זכוכית לתאים חיים
הצעד שהפך את אשקין למפורסם מחוץ לעולם הפיזיקה היה ביולוגי. הוא גילה שהוא יכול ללכוד לא רק כדורי לטקס אלא גם חיידקים, נגיפים, ובסופו של דבר תאים חיים שלמים, וחשוב מכך – שעל ידי מעבר לאור אינפרא-אדום הוא יכול לעשות זאת מבלי לבשל אותם. לפתע עמדו לרשות הביולוגים זוג ידיים קטנות מספיק כדי להחזיק אברון בודד. מלקחיים אופטיים שימשו בהמשך למדידת הכוחות המופקים על ידי מנועים מולקולריים כמו קינזין המהלך לאורך מיקרוטובולה, למתיחת מולקולות דנ"א בודדות, ולמניפולציה של תאים בודדים מבלי לגעת בהם.
הייתה מורשת מקבילה בפיזיקה. עבודת הלכידה של אשקין היוותה את הבסיס לקירור ולכידת אטומים בלייזר של סטיבן צ'ו (Steven Chu), שזיכו את צ'ו בחלק מפרס נובל בשנת 1997, ומשם זה הזין ישירות את עיבוי בוז-איינשטיין ואת לייזר האטומים.
הפרס, באיחור של עשרים שנה
ב-2 באוקטובר 2018, בגיל תשעים ושש, הוענקה לאשקין מחצית מפרס נובל לפיזיקה על המצאת המלקחיים האופטיים שתופסים חלקיקים, אטומים, נגיפים ותאים חיים אחרים בעזרת אצבעות אלומת הלייזר שלהם. ז'ראר מורו (Gérard Mourou) ודונה סטריקלנד (Donna Strickland) חלקו את המחצית השנייה על הגברת פעימות צ'ירפ (chirped-pulse amplification). הוא היה האדם המבוגר ביותר שקיבל פרס נובל בזמן הענקתו, שיא שהחזיק מעמד שנה אחת בלבד עד שג'ון גודאינף (John Goodenough) קיבל את פרס הכימיה בגיל תשעים ושבע.
ההוקרות האחרות הצטברו בהתמדה: בחירה לאקדמיה הלאומית להנדסה ב-1984 ולאקדמיה הלאומית למדעים ב-1996, מדליית צ'ארלס הארד טאונס ב-1988, מדליית פרדריק אייבס ב-1998, פרס ג'וזף פ. קית'לי ב-2003, פרס הארווי ב-2004, והכנסה להיכל התהילה הלאומי של הממציאים ב-2013. הוא פרש ממעבדות בל ב-1992 והמשיך לעבוד, במעבדה במרתף ביתו ברומסון, ניו ג'רזי.
מדוע ארתור נקרא גאון
האיכות המופגנת בקריירה של אשקין אינה יכולת ניתוח גולמית – הוא לא היה תיאורטיקן, והפיזיקה של לחץ קרינה הייתה מבוססת היטב עוד לפני שנגע בה. זה משהו נדיר וקשה יותר ללמידה: דמיון מוחשי בצורה יוצאת דופן, יחד עם הסבלנות לרדוף אחרי שאלה אחת במשך חמישים שנה ללא עידוד מוסדי.
כולם ידעו שאור נושא תנע. אשקין היה זה ששאל מה יקרה אם תנסה באמת להרים משהו בעזרתו, ואז המשיך לבנות מכשירים עד שזה עבד. המאמר מ-1970 נדחה על ידי קבוצת התיאוריה של המוסד שלו עצמו. נאמר לו, למעשה, שהאפקט חלש מדי מכדי שיהיה משמעותי. הוא צדק והם טעו, והדבר שהפך אותו לצודק היה אינטואיציה פיזיקלית לגבי האופן שבו חרוז שקוף שובר אלומת אור – תמונה מנטלית, לא משוואה.
הטיעון שכנגד: הוא לא גילה פיזיקה חדשה. מלקחיים אופטיים הם יישום מבריק של עקרונות מובנים, ופרס הנובל הגיע, בסופו של דבר, עבור מכשיר. מעבדות בל באותה תקופה היו מכונה יוצאת דופן להפיכת אנשים טובים ליצרניים, ולאשקין היו ארבעים שנה של זה, עם בוס שהיה מוכן לעקוף את הספקנים. חלק גדול מהביולוגיה שהפכה את הטכניקה לחיונית נעשה על ידי אחרים. מה שבאמת שלו הוא העקשנות של הרעיון המקורי, והעובדה שטכניקה המשמשת כיום במעבדות ברחבי העולם יצאה מאיש אחד שסירב לזנוח שאלה ששאל לראשונה כילד, בוהה בצעצוע מסתובב.
מורשת
אשקין הלך לעולמו ב-21 בספטמבר 2020, בגיל תשעים ושמונה. שלושת ילדיו – מייקל, פרופסור לאמנות בקורנל, ג'ודית, מדריכת טאי צ'י, ודניאל, מדען קרמיקה – איש מהם לא הלך בעקבותיו לפיזיקה. המכשיר שלו הצליח יותר. מלקחיים אופטיים הם כיום ציוד סטנדרטי בביולוגיה תאית, ביופיזיקה ופיזיקה אטומית, והיכולת להחזיק חיידק חי בודד ללא תנועה בתוך אלומת אור, שנשמעה כמו טריק של קוסמים ב-1970, היא כיום משהו שסטודנט לתואר שני מרכיב לפני ארוחת הצהריים.