私たちの世界は光に満ちており、地球上の生命を支えるためにそれに頼っている。そのため、世界を探究するために光線を用いる新たな方法を発明した三人の科学者を称えることは、まさにふさわしいことである。
2018年のノーベル物理学賞は、アーサー・アシュキン、ジェラール・ムロー、ドナ・ストリックランドに授与された光ビームを利用するツールを開発した功績に対して。
アシュキンは、光ピンセットに関する研究により賞の半分を受賞した。光ピンセットとは、細胞や原子などの微細な物体を実際に操作できる光ビームのことである。一方、ムローとストリックランドは、高強度で超短パルスのレーザーを生成する技術を開発した功績により、残りの半分を受賞した。このレーザーは、眼科手術、材料科学、非常に速い過程の研究、プラズマ物理学など、さまざまな分野で利用されている。
アルフレッド・ノーベルは遺言で、物理学賞を「物理学分野における最も重要な発見または発明」に対して授与されるべきだと定めた。そのため物理学者として私は、今年の賞が1970年代と1980年代になされ、人類の利益となる実用的応用につながった発明を評価していることを、彼も喜んでくれると思う。
ドナ・ストリックランドは、ノーベル物理学賞の210人の受賞者のうち、女性として3人目であり、1963年以来初めての女性受賞者である。最初の女性受賞者は1903年のマリー・キュリーで、彼女はもう一つの賞を1911年に化学賞で受賞した。2番目の女性受賞者はマリア・ゲッパート＝メイヤーである。今後、ノーベル賞委員会が、女性受賞者が選ばれるまでの平均60年間の隔たりを縮めることを期待したい。
光ピンセットとは何か？
過去数十年にわたり、世界を操作するために光を用いることは、科学や医学においてきわめて重要になってきた。今年の物理学ノーベル賞は、多くの分野の進歩を可能にしたツールの発明を評価するものである。光ピンセットは、光を使って微小な物体を所定の位置に保持したり、その動きを測定したりする。光が実際に何かを所定の位置に保持できるというのは奇妙に思えるかもしれないが、一世紀以上前から次のことはよく知られている。光は「放射圧」として知られるものを通じて物理的物体に力を及ぼせるということ。1969年、アーサー・アシュキンはレーザーを用いてミクロン単位の大きさの物体を捕捉し加速させた（例えば微小な球体や水滴など）。これにより、互いに逆方向に向けられた二本以上の集束レーザービームを用いて、標的となる粒子や細胞をビームの中心へ引き寄せ、その位置に保持する光ピンセットが発明された。粒子が中心から離れるたびに、中心へ押し戻す力が働く。
スティーブン・チュウ、クロード・コーエン＝タヌージ、ウィリアム・D・フィリップスは、1997年のノーベル物理学賞を受賞した。受賞理由は、原子を限られた空間内に閉じ込める、光トラップとして知られるレーザー冷却トラップの開発である。アシュキンとチュウは1980年代にベル研究所で共に研究を行った。これは光トラップ研究の基礎を築いた。チュウは中性原子の研究を続けたが、アシュキンはより大きな生物学的対象を追究した。1987年、アシュキンは光ピンセットを用いて個々の細菌を調べた――その微生物を傷つけることなく。現在、光ピンセットは分子や細胞の研究で日常的に用いられている。
アシュキンはコロンビア大学で学士号を、コーネル大学で博士号を取得した。1952年にベル研究所に入所し、1992年に退職した。しかし、自宅に研究室を設けて科学的研究を続けた。45件以上の特許を取得している。
高速レーザーパルスが重要なのはなぜか？
ジェラール・ムローとドナ・ストリックランドはロチェスター大学で共同研究を行い、そこで「レーザー光のためのチャープパルス増幅法」を開発した。1980年代半ば、ストリックランドは大学院生であり、ムローは彼女の論文指導教員であった。当時、より明るいレーザーの開発は停滞していた。強力なレーザーは自らを損傷しやすかった。ストリックランドとムローは、短いパルスでより強度の高い光を生成する方法を発明した。
私たちが日常生活でレーザーを使う方法のほんの一例として、レーザーポインターやバーコードスキャナーが最もなじみ深いだろう。しかし、これらは比較的低強度のレーザーである。多くの科学的応用には、はるかに強力なレーザーが必要である。
この問題を解決するため、ムローとストリックランドは、非常に短い（超短）パルス、つまり時間的に区切られた光の短い連続発光を用いるレーザーを使用した。チャープパルス増幅では、パルスは時間的に引き伸ばされて長くなり強度が下がり、その後、最大100万倍まで増幅される。これらのパルスを再び圧縮（引き伸ばしの過程を逆に行う）すると、チャープパルス増幅技術を用いずに生成できるものよりもはるかに強度の高いパルスとなる。例えば、厚いゴムバンドを考えてみよう。バンドを引き伸ばすと、ゴムは薄くなる。手を離すと元の厚さに戻る。ここで、引き伸ばされたゴムバンドを厚くする方法があると想像してみよう。バンドを離すと、元のバンドより厚くなる。これが基本的にレーザーパルスで起きていることである。
引き伸ばしと増幅を行う方法はさまざまあるが、世界で最も高出力のレーザーのほぼすべては、この技術の何らかの変形版を用いている。チャープパルス増幅の発明以来、新しいレーザーの最大強度は劇的な上昇を続けている。
私の専門分野である素粒子物理学では、チャープパルス増幅を用いたレーザーが粒子ビームを加速するために使用されており、より短い距離でより大きな加速を実現する道を開く可能性がある。これは、より低コストで高エネルギーの加速器につながり、素粒子物理学の限界を押し広げ、より捉えにくい粒子の検出や宇宙のより深い理解を可能にするかもしれない。
ただし、すべての粒子加速器が、周囲長17マイルに及ぶ大型ハドロン衝突型加速器のような巨大装置というわけではない。世界中には約3万台の産業用粒子加速器があり、材料の調製、がん治療、医学研究など、より身近な用途に使われている。ムローとストリックランドの研究は、これらの加速器を小型化し、より安価にするために用いられる可能性がある。
現在では、超高速・高強度レーザーは眼科手術に用いられている。角膜（目の表面）を治療し、一部の患者の視力を改善するために用いることができる。チャープパルス増幅の発明は、超高速現象を研究するアト秒科学にも用いられている。アト秒とは100万兆分の1秒である。アト秒ごとにパルスを生成するレーザーを用いることで、原子が電子を失い（イオン化）、その後それを再び捕獲するといった、極めて速い過程のスナップショットを得ることができる。
このノーベル賞受賞の研究は、ストリックランドのロチェスター大学での博士論文の基礎となった。ストリックランド博士は現在、カナダのウォータールー大学の准教授である。ムローは1990年にミシガン大学の超高速光科学センターの創設所長となった。その後、フランスのLaboratorie d’Optique de Applique の所長に就任した。
2018年のノーベル物理学賞は、この三人の科学者による先駆的な研究に光を当てるものである。過去三十年間、彼らの発明は、以前は実現不可能だった科学の道筋や医療治療を生み出してきた。今後も長期にわたり、彼らの研究の恩恵を受け続けることは確実である。
