Артур Эшкин: Удержание жизни светом

В десятилетнем возрасте, в Бруклине эпохи Великой депрессии, Артур Эшкин (Arthur Ashkin) был заворожен радиометром Крукса — маленькой стеклянной колбой с черно-белыми крыльчатками, которые вращаются, когда на них падает свет. Он выяснил, что дело не в свете, а в тепле, которое подталкивает их, и заметил, что крыльчатки меняют направление вращения, если нагреть колбу снаружи. Шестьдесят лет спустя Нобелевский комитет присудил ему половину премии по физике за зрелую версию того детского вопроса: может ли луч света действительно захватить материю? Оказалось, что может. Ему было девяносто шесть, когда ему сообщили об этом, и он сказал, что не испытывает особого восторга.

Бруклин, радар и брат, который добрался туда первым

Эшкин родился 2 сентября 1922 года в Бруклине, штат Нью-Йорк, в семье Исадора Эшкина (Isadore Ashkin), эмигрировавшего из Одессы (Odesa) в восемнадцать лет и открывшего зуботехническую лабораторию на Манхэттене, и Анны Фишман (Anna Fishman). В семье было трое выживших детей: старший брат Джулиус (Julius), Артур и младшая сестра Рут (Ruth). Джулиус задал пугающе высокую планку: в двадцать два года он получил докторскую степень по физике в Колумбийском университете и в конечном итоге возглавил физический факультет в Университете Карнеги — Меллона (Carnegie Tech).

Артур последовал за ним в Колумбийский университет в 1940 году, окончив среднюю школу Джеймса Мэдисона. Война прервала его обучение; он провел ее в качестве техника в Радиационной лаборатории, создавая магнетроны для военных радаров под руководством Сида Миллмана (Sid Millman), который сыграл решающую роль в его жизни дважды. Эшкин закончил бакалавриат по физике в 1947 году, став членом общества «Фи Бета Каппа» (Phi Beta Kappa), а затем отправился в Корнелл по «Закону о правах военнослужащих» (G.I. Bill), где в 1952 году получил докторскую степень по ядерной физике, защитив диссертацию по рассеянию электронов и позитронов. В Корнелле он познакомился с Элин (Aline), на которой женился в 1954 году и прожил с ней более шестидесяти лет.

Сорок лет в Bell Labs

Миллман, работавший к тому времени в Bell Laboratories, порекомендовал своего бывшего техника. Эшкин пришел туда в 1952 году и проработал сорок лет. Первое десятилетие ушло на микроволны и электронные лампы — достойная, но ничем не примечательная работа. Затем появился лазер, и около 1960 года Эшкин полностью переключился на нелинейную оптику, волоконную оптику, параметрические осцилляторы и усилители. В 1960-х годах он был одним из соавторов открытия фоторефрактивного эффекта в пьезоэлектрических кристаллах. В итоге он стал обладателем сорока семи патентов.

Но он никогда не оставлял вопрос с радиометром. Свет обладает импульсом. Это не спорно — Максвелл (Maxwell) утверждал это, и световое давление — причина, по которой хвосты комет направлены от Солнца. Проблема в том, что эта сила абсурдно мала. Никто не ожидал, что она пригодится для перемещения чего-либо, что можно увидеть.

Что на самом деле делает оптический пинцет

Прозрение Эшкина заключалось в том, что лазер не просто толкает. Если плотно сфокусировать луч, создается крутой градиент интенсивности: очень ярко в фокусе и тусклее на долю миллиметра в сторону. Прозрачная частица в этом градиенте действует как крошечная линза, преломляя проходящий через нее свет. Согласно третьему закону Ньютона, искривление пути света воздействует на частицу, и чистый результат — это сила, которая затягивает частицу в самое яркое пятно и удерживает ее там.

Таким образом, работают две силы: сила рассеяния, которая толкает частицу вдоль луча, и градиентная сила, которая тянет ее вбок к ядру луча. Сбалансируйте их, и вы получите ловушку. Сделайте фокусировку достаточно крутой, и одна лишь градиентная сила сможет удерживать частицу против толчка во всех трех измерениях с помощью одного луча. Это и есть оптический пинцет: сгусток света с чем-то пойманным внутри.

Эшкин опубликовал первую статью об оптической ловушке в 1970 году. Отдел теоретической физики Bell Labs поначалу отверг ее; его начальник Руди Компфнер (Rudi Kompfner) отменил их решение и велел просто отправить ее. Она стала самой цитируемой статьей года и с тех пор преодолела отметку в пять тысяч цитирований. В 1971 году он левитировал маленькие стеклянные сферы вопреки гравитации. Однолучевая градиентная ловушка — настоящий пинцет — появилась в 1980-х годах, причем эта технология традиционно датируется 1986 годом.

От стеклянных бусин до живых клеток

Шаг, сделавший Эшкина знаменитым за пределами физики, был биологическим. Он обнаружил, что может ловить не только латексные сферы, но и бактерии, вирусы и, в конечном итоге, целые живые клетки, причем, что критически важно, при переходе на инфракрасный свет он мог делать это, не «зажаривая» их. Внезапно у биологов появилась пара рук, достаточно маленьких, чтобы удерживать отдельную органеллу. Оптические пинцеты стали использоваться для измерения сил, создаваемых молекулярными моторами, такими как кинезин (kinesin), перемещающийся вдоль микротрубочек, для растяжения отдельных молекул ДНК и для манипулирования отдельными клетками без прикосновения.

В физике было параллельное наследие. Работа Эшкина по созданию ловушек легла в основу лазерного охлаждения и улавливания атомов Стивена Чу (Steven Chu), что принесло Чу долю Нобелевской премии 1997 года, а оттуда это привело непосредственно к конденсации Бозе — Эйнштейна и атомному лазеру.

Премия с двадцатилетним опозданием

2 октября 2018 года, в возрасте девяноста шести лет, Эшкин был удостоен половины Нобелевской премии по физике за изобретение оптического пинцета, который своими пальцами из лазерных лучей захватывает частицы, атомы, вирусы и другие живые клетки. Жерар Муру (Gérard Mourou) и Донна Стрикленд (Donna Strickland) разделили вторую половину за усиление чирпированных импульсов. Он был самым старым человеком, получившим Нобелевскую премию на момент награждения — рекорд, который продержался всего год, пока Джон Гуденаф (John Goodenough) не получил премию по химии в девяносто семь лет.

Другие почести накапливались стабильно: избрание в Национальную инженерную академию в 1984 году и в Национальную академию наук в 1996 году, медаль Чарльза Харда Таунса (Charles Hard Townes Medal) в 1988 году, медаль Фредерика Айвса (Frederic Ives Medal) в 1998 году, премия Джозефа Ф. Китли (Joseph F. Keithley Award) в 2003 году, премия Харви (Harvey Prize) в 2004 году и включение в Национальный зал славы изобретателей в 2013 году. Он ушел из Bell Labs в 1992 году и продолжал работать в лаборатории в подвале своего дома в Рамсоне, Нью-Джерси.

Почему Артура называют гением

Качество, проявленное в карьере Эшкина, — это не грубая аналитическая мощь: он не был теоретиком, а физика светового давления была хорошо обоснована до того, как он к ней прикоснулся. Это нечто более редкое и трудное для обучения: необычайно буквальное воображение в сочетании с терпением преследовать один вопрос в течение пятидесяти лет без институциональной поддержки.

Все знали, что свет обладает импульсом. Эшкин был тем, кто спросил, что произойдет, если попытаться что-то поднять с его помощью, а затем продолжал строить аппарат, пока тот не заработал. Статья 1970 года была отклонена теоретической группой его собственной организации. Ему фактически сказали, что эффект слишком слаб, чтобы иметь значение. Он был прав, а они ошибались, и то, что сделало его правым, была физическая интуиция о том, как прозрачная бусина преломляет луч — ментальная картина, а не уравнение.

Честный контраргумент: он не открыл новую физику. Оптический пинцет — это блестящее применение понятных принципов, и Нобелевская премия в итоге досталась инструменту. Bell Labs в ту эпоху была экстраординарной машиной для превращения хороших людей в продуктивных, и Эшкин провел там сорок лет, имея начальника, готового игнорировать скептиков. Большая часть биологии, сделавшей эту технику незаменимой, была выполнена другими. Что действительно принадлежит ему, так это упрямство оригинальной идеи и тот факт, что техника, используемая сегодня в лабораториях по всему миру, возникла благодаря одному человеку, отказавшемуся бросить вопрос, который он впервые задал в детстве, глядя на вращающуюся игрушку.

Наследие

Эшкин скончался 21 сентября 2020 года в возрасте девяноста восьми лет. Его трое детей — Майкл, профессор искусств в Корнелле, Джудит, инструктор тай-чи (Tai Chi), и Дэниел, ученый-керамист — никто из них не пошел по его стопам в физику. Его инструмент справился лучше. Оптический пинцет сегодня является стандартным оборудованием в клеточной биологии, биофизике и атомной физике, а способность удерживать одну живую бактерию неподвижно в луче света, что в 1970 году звучало как фокус, сегодня — обычное дело, которое аспирант настраивает перед обедом.