アーサー・アシュキン：光で命を固定する

大恐慌時代のブルックリンで10歳の頃、アーサー・アシュキンはクルックス放射計に魅了された。それは、光を当てると回転する黒と白の羽根がついた小さなガラス球である。彼は、押す力は光そのものではなく熱であることを解明し、球の外から温めると羽根が逆回転することに気づいた。60年後、ノーベル賞委員会は彼が子供の頃に抱いたこの疑問の成熟した形態、つまり「光線は実際に物質を掴めるのか？」という問いに対し、物理学賞の半分を授与することになる。掴むことは可能であった。授与の知らせを受けた時、彼は96歳で、それについてそれほど興奮することはできないと語った。

ブルックリン、レーダー、そして先を越した兄

アシュキンは1922年9月2日、ニューヨーク州ブルックリンで生まれた。父イザドール・アシュキンは18歳でオデッサから移住し、マンハッタンで歯科研究所を設立した。母はアンナ・フィッシュマン。生き残った子供は3人で、兄ジュリアス、アーサー、妹ルースであった。ジュリアスは威圧的なペースで成長し、22歳でコロンビア大学の物理学博士号を取得し、最終的にカーネギー工科大学の物理学科長となった。

アーサーはジェームズ・マディソン高校を経て1940年にコロンビア大学へ進学した。戦争により学業は中断され、放射線研究所の技術者として軍事レーダー用のマグネトロン製造に従事した。上司シド・ミルマンは二度、決定的な役割を果たすことになる。アシュキンは1947年に物理学の学士号をファイ・ベータ・カッパの栄誉と共に取得し、その後G.I.法を利用してコーネル大学へ進み、1952年に電子・陽電子散乱に関する論文で核物理学の博士号を取得した。コーネルでアラインと出会い、1954年に結婚し、60年以上連れ添った。

ベル研究所での40年間

当時ベル研究所にいたミルマンは、かつての部下であったアシュキンを推薦した。アシュキンは1952年に到着し、40年間在籍した。最初の10年はマイクロ波と電子管の研究に費やされた。これは立派だが平凡な仕事だった。その後レーザーが登場し、1960年頃、アシュキンは非線形光学、光ファイバー、パラメトリック発振器および増幅器へと完全に分野を転換した。1960年代には、圧電結晶における光屈折効果の共同発見者の一人となった。最終的に彼は47件の特許を保有することになる。

しかし、彼は放射計の疑問を捨てていなかった。光は運動量を持つ。これは議論の余地がなく、マックスウェルが予言しており、彗星の尾が太陽から離れる方向を向くのは放射圧のためである。問題は、その力が極端に小さいことだった。目に見えるものを押すのに役立つと期待した者は誰もいなかった。

光ピンセットの正体

アシュキンの洞察は、レーザーは押すだけではないというものだった。光線を強く集光すると、急峻な強度勾配が生まれる。焦点が最も明るく、数分の一ミリメートル離れると暗くなる。この勾配に置かれた透明な粒子は小さなレンズのように働き、通過する光を屈折させる。ニュートンの第3法則により、光の経路を曲げることは粒子に押し返す力を生み、その正味の結果として、粒子を最も明るいスポットに引き寄せて保持する力が生まれる。

つまり、2つの力が働いている。光線に沿って粒子を押し出す散乱力と、光線の中心に側方から引き込む勾配力である。これらを均衡させれば、トラップになる。集光を十分に急峻にすれば、勾配力だけで単一の光線を用いて、三次元すべてにおいて粒子を押し戻しに抗して保持できる。これこそが光ピンセットであり、光の結び目に何かが捕らえられている状態である。

アシュキンは1970年に最初の光トラッピング論文を発表した。ベル研究所の理論物理学部門は当初それを拒否したが、上司のルディ・コンプフナーが彼らを押し切り、論文を提出するよう指示した。これはその年で最も引用された論文となり、現在では5000件以上の引用を超えている。1971年、彼は重力に抗して小さなガラス球を浮遊させた。単一光線勾配トラップ、つまり真のピンセットは1980年代に続き、技術の確立は一般的に1986年とされている。

ガラス玉から生きた細胞へ

アシュキンが物理学界の外で有名になったのは生物学の分野でのことだった。彼はラテックス球だけでなく、細菌、ウイルス、そして最終的には生きている細胞全体をトラップできることを発見した。重要なのは、赤外線に切り替えることで、細胞を焼かずに操作できることだった。突然、生物学者は単一の細胞小器官を保持できるほど小さなピンセットを手に入れた。光ピンセットはその後、キネシンのような分子モーターが微小管に沿って歩く力を測定したり、単一のDNA分子を引き伸ばしたり、細胞を触れずに操作したりするために使用されるようになった。

物理学にも並行する遺産がある。アシュキンのトラッピング研究は、スティーブン・チューによる原子のレーザー冷却・トラップ研究の基盤を形成し、チューは1997年のノーベル賞の一部を受賞した。そこから直接、ボース＝アインシュタイン凝縮や原子レーザーへと発展した。

20年遅れの賞

2018年10月2日、96歳でアシュキンは、レーザー光線の指で粒子、原子、ウイルス、その他の生きた細胞を掴む「光ピンセット」の発明により、物理学賞の半分を授与された。ジェラール・ムルとドナ・ストリックランドは、チャープパルス増幅の功績で残りの半分を授与された。受賞当時、彼はノーベル賞受賞者として史上最高齢であり、この記録は翌年ジョン・グッドイナフが97歳で化学賞を受賞するまで続いた。

他の栄誉も着実に積み重なった。1984年に全米技術アカデミー、1996年に全米科学アカデミーの会員に選出され、1988年にチャールズ・ハード・タウンズ賞、1998年にフレデリック・アイヴズ賞、2003年にジョセフ・F・キースリー賞、2004年にハーヴェイ賞を受賞し、2013年には全米発明家殿堂入りを果たした。1992年にベル研究所を退職した後も、ニュージャージー州ラムソンの自宅の地下にある実験室で研究を続けた。

アーサーが天才と呼ばれる理由

アシュキンのキャリアに見られる資質は、生半可な分析力ではない。彼は理論物理学者ではなく、放射圧の物理学は彼が触れる前から確立されていた。それは、より稀で教えるのが難しい何かである。並外れて文字通りの想像力と、50年間もの間、組織的な奨励なしに一つの問いを追い続ける忍耐力である。

誰もが光が運動量を持つことは知っていた。実際にそれで何かを拾い上げようとしたらどうなるか、と問い、実際に機能するまで装置を作り続けたのがアシュキンだった。1970年の論文は、所属機関の理論グループから拒否された。実質的に、その効果はあまりに小さすぎて重要ではないと言われたのである。彼が正しく、彼らが間違っていた。彼が正しかった理由は、透明なビーズがどのように光線を屈折させるかという物理的な直感、つまり方程式ではなく心の中のイメージにあった。

正直な反論として、彼は新しい物理学を発見したわけではない。光ピンセットは理解された原理の華麗な応用であり、最終的にノーベル賞は「装置」に対して与えられた。当時のベル研究所は優れた人々を生産的な存在に変える並外れた機械であり、アシュキンは懐疑論者を退ける上司と共に、その環境を40年間享受した。この技術を不可欠なものにした生物学研究の多くは他者によるものだ。純粋に彼自身のものは、当初のアイデアに対する頑固さと、世界中の研究所で使用される技術が、子供の頃に回転するおもちゃを見つめていた時に抱いた疑問を捨てなかった一人の男から生まれたという事実である。

遺産

アシュキンは2020年9月21日、98歳で死去した。コーネル大学の美術教授であるマイケル、太極拳インストラクターであるジュディス、セラミック科学者であるダニエルの3人の子供は、誰も物理学の道には進まなかった。しかし彼の発明した機器は、それ以上の成功を収めた。光ピンセットは現在、細胞生物学、生物物理学、原子物理学における標準的な機器であり、1970年には奇術のように聞こえた「光線の中で生きた細菌を動かさずに保持する」という能力は、今では大学院生が昼食前にセットアップするようなものとなっている。