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给老妈讲诺贝尔奖 （1）啁啾

如今最热门的追星就是诺贝尔奖了，连老妈都追。

十月初的两天几大微信公众号都在那儿热火朝天的直播，老妈看了一篇又一篇，最后学了一个新名词叫“啁啾”（读成“周揪”，不是稠秋）。她说好多文章大同小异，都是新闻稿式的快报，没人愿意慢下来讲清原理。老妈人老思想不老，她觉得能得诺贝尔奖的科学一定得有点新奇的点子，这“啁啾”能得奖，一定是个能说服全世界科学家的好点子。

长假时去看她老人家，一进门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’。为了不冷落大家，我就提提先旧事，说您还记得咱们院的三德子和小娟吗？

话音没落亲戚们就七嘴八舌说起来了。那时我还小，住的是北京的大杂院，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。

之后大家都没当真，快把这事忘了。可是三德子下月回来，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：“照片上的小娟抹了红嘴唇。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的乐，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三瓦的小日光灯管，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，所以一万瓦也不会把盒子烧坏。而且时间短用电就少，一个小电池竟能保证三十六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？闪光时间的越短，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！快说是怎么回事。

为了给老妈讲清怎样把光成短短的一闪，我用路上行军队伍作为例子。如果1000士兵排成稀稀拉拉一队，用1000秒钟时间通过一个街口，算算人流密度就是每秒1人（1000人除以1000秒）。而如果军官命令士兵排成十人一排快跑，就可以用10秒时间通过这个街区。而人流的密度就是每秒100人（1000除以10），提高了100倍。而如果1000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1000人用0.1秒冲过起跑线，瞬间人流的密度就达到每秒1万人（1000除以0.1）。 这三种情况里，稀稀拉拉走相当于点个3瓦管灯，跑步相当于闪光灯，而比赛相当于激光器。产生激光时先用普通灯射进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。

但是产生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，当聚集到极点的时候，如果有一个光子窜出来，就使路径上的能量转换成很多的光子，而很多的光子会使更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“同去，同去”吗？

这时候亲戚们的注意力早就转移了，七嘴八舌地争论明星漏税该不该坐牢的问题。而老妈却埋怨我扯了半天，还没说出为啥需要啁啾。

我从桌上的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，所以提高激光的亮度就是把光脉冲变得更短。好像把街上行军的队伍变短来提高人流密度。但人流密度密度越高，就会走得就越慢，然后越慢越堵，越堵人流密度越大，最后后面追上前面，出现踩踏事件。

在激光器里，也会出现光子密度越大速度越慢的现象，行话叫 ‘克尔’效应。因为克尔效应，晶体里的光柱也会越强越细，越细光子密度越高，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。而今天得奖的这个‘啁啾’就是破解光子踩踏事件的神器。实际是先把短脉冲变宽，比如本来是一太秒（10-12秒或一亿亿分之一秒）变成100太秒，扩宽了100倍。这样它就能顺利地通过晶体不憋死，然后从晶体里出来以后再用下啁啾把光流变回一太秒那么短，就产生了超强的短激光。

今年得奖的莫雷教授在1970年代末成天就琢磨怎样把激光做得更强。不光是他，世界上好多人都在那琢磨这个事。可是自聚焦是个自然规律，只要这门槛在，激光的强度就是提不上去了。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，这样每块晶体里就光就没那么强，不会憋死。之后再把所有晶体里的光合起来，变成强光。

莫雷教授是靠聪明打败土豪，想出了用啁啾放大的办法来解决自聚焦问题，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（T3激光器）。

怎样实现上啁啾呢？据说他有一天去滑雪，坐上滑雪的缆车突然来了灵感，到山顶后雪也没滑，坐缆车又下来，一头扎进实验室。灵感哪来的呢？ 据八卦消息说是因为看到了缆车上那长长的缆绳。当光在长长的光缆中跑过的时候，红色会跑得慢些，蓝色快些，这样就出现了上啁啾过程，这有点像让赛跑的人通过长长的赛道，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。上啁啾过的光就能够安全地通过激光器放大（放大就是用抢跑的办法招来更多的光子），然后再缩短变成超强激光。

我给老妈看一张今年同获诺贝尔的女教授的照片。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。拍照时她才二十多岁，是莫雷教授的研究生。

亲戚们一听是中年教授和年轻女学生的故事，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70年代的时尚，而是防止激光伤眼睛的保护目镜。

（2018年10/15 深夜于华盛顿）。