激光视力手术和洪特定则的共同点是什么？大神竟在我身边 | 袁岚峰

2022-11-16 12:11

■ 导言

原来，物理学的创造是可以离我们普通人那么近的。

大家可能都听说过激光矫正视力手术（laser-assisted in situ keratomileusis，简称LASIK），它为患者提供了戴眼镜之外的另一种选择，帮助数以千万计的人改善了视力。

中国科学技术大学校医院因为在这方面特别强，甚至还经常被人们称为眼科医院。然而，最近我才知道，科大和LASIK的关系还不止于此，这项技术的发明跟一位科大师兄有密切关系（中国科大来的博士生在密歇根实验室意外受伤，竟开启一项伟大发明）。什么关系呢？他是第一个小白鼠。

1993年，科大81级近代物理系校友杜德涛在美国密歇根大学超快光科学中心实验室读博士。有一天，他在测试飞秒激光对石英玻璃的损伤时，一不小心掀开了护目镜，一束激光反射进了他的右眼。幸好这束激光的能量不强，因为这是飞秒超快激光，所以他没有感到任何不适。虽然如此，杜德涛的导师热拉尔•穆鲁（Gérard Mourou）教授还是赶快让他去医院检查。

真正奇妙的事发生在这里。医生罗恩•库尔茨（Ron Kurtz）发现这束激光在杜德涛视网膜上打出了一系列针点，但这些针点特别小特别圆，是一个个完美的圆，跟以前见到的激光打出的伤斑完全不同（https://www.goldengooseaward.org/01awardees/lasik）。

于是他惊讶地问杜德涛：“你们用的是什么激光？”杜德涛疑惑：“你为什么要问这个？”库尔茨回答：“因为你的损伤是完美的。”

几天以后，库尔茨就向穆鲁申请来他的实验室工作，探索飞秒激光在眼科的应用。从此，杜德涛就和库尔茨一起研究。他们发现飞秒激光能在极短时间聚焦于角膜组织内狭小的空间，让生物组织电离，产生无数微小的气泡，实现极其精密的组织切割。

1994年，杜德涛和库尔茨在加拿大一场光学会议上讲述这项研究，引起了加州大学尔湾分校科学家蒂博尔•尤哈斯（Tibor Juhasz）的注意。尤哈斯也是他们的同门，以前在穆鲁的实验室作过博士后，只是当时穆鲁在罗切斯特大学，而不是密歇根大学。尤哈斯也在做激光手术的研究，只是没有用过飞秒激光，所以效果不佳。这次会面之后，穆鲁就邀请尤哈斯这位前博士后来到密歇根大学，再次一起研究。

到这里，我们总共提到了四个人：杜德涛、穆鲁、库尔茨、尤哈斯。还有一位重要人物唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland），她也是穆鲁教授的研究生。她并没有直接参与飞秒LASIK的研发，但她和穆鲁一起发明了这项技术的基础，叫做啁啾脉冲放大（chirped pulse amplification，简称CPA）。这项成果让她和穆鲁得到2018年诺贝尔物理学奖。是的，他俩得了诺贝尔奖！理由是“因为他们的产生高强度、超短激光脉冲的方法”（for their method of generating high-intensity, ultra-short optical pulses）。

在诺贝尔奖网站中还特别提到啁啾脉冲放大有许多应用，包括眼科矫正手术（https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2018/mourou/facts/）。

这位斯特里克兰女士特别值得一提，因为她可以算作幸运值爆棚的代表。在博士毕业后，她一直没有做出特别重要的成果，论文发的也不多。原本即将在加拿大滑铁卢大学以副教授身份退休，突然收到斯德哥尔摩的电话，说她得诺贝尔奖了！这是什么样的人生体验！正如《唐伯虎点秋香》的名言，人生大起大落得太快，实在太~刺激了！

另外三位没得诺贝尔奖的也没吃亏。2022年9月，所有这五个人获得了美国科学促进会（AAAS）等几家组织颁发的金鹅奖（Golden Goose Awards），照片中那个中国人面孔十分显眼。此前很少有人知道杜德涛在LASIK中的贡献，现在终于公诸于世。

不过杜德涛本人并没有在LASIK的路上继续走下去。他博士毕业后进入了工业界，从超快工业激光器到激光微加工制药，再到光纤通讯，再到激光雷达、激光等离子体诊断等等，一直跟激光有关。近年来，他和大学同班同学陈如新博士回到北京，加上另一位同班同学张自力博士一起创业，成立了专注于自动驾驶激光雷达的睿镞科技。而穆鲁教授也欣然接受了杜德涛的邀请，担任该公司的科学委员会主席。

数十年来，杜德涛很少公开谈及他在飞秒LASIK手术发展历程中的角色。因为杜德涛是激光专家，周围的人们经常会问他是否了解飞秒LASIK手术。只有这时候，他们才会陡然意识到眼前这个人就是那项伟大发明的核心人物之一，是应该被写入教材的人物。

我不久前看到这个故事的时候，想起了毛姆的名著《刀锋》的结尾，所有人都奇妙地得偿所愿。此外，我还想起了我的科大师叔、中国科学院物理研究所研究员曹则贤老师的一篇神文（当我发现那个物理大神是邻村大爷时 | 曹则贤）。

曹则贤

曹则贤老师和我以及所有上过高中的人，都听说过一个原子物理中的洪特定则（Hund's rule），说的是电子在原子中的排列遵循以下规则：（1）总自旋S越大，能量越低；（2）S相等的情况下，总轨道角动量L越大，能量越低；（3）在S和L都相等的情况下，对于未满半壳层或刚好半满的壳层，总角动量J越小能量越低；否则，J越大能量越低。如果你是一个勤于思考的人，你就会嘀咕，这都是什么乱七八糟的，为什么要死记硬背这么多？这些规则的道理何在？

实际上，曹则贤老师后来知道了，洪特在1925年提出的这个定则只是个经验总结，并没有严密的理论基础，所以也存在反例。既然如此，这个悬案在他的心里就放下了，他再也没想过洪特是谁。当时在他的心里，洪特就和书里出现的牛顿、法拉第、库伦、奥斯特等等一样，只是一个怪异的外国名字而已。

Friedrich Hund

我需要补充一下，洪特在我的专业量子化学里非常著名，因为他和美国科学家马利肯（Robert Sanderson Mulliken）一起提出了分子轨道理论，这是目前最常用的第一性原理计算方法之一。奇妙的是，1966年马利肯因为分子轨道理论获得了诺贝尔奖，但只发给了他一个人！没有同时颁给洪特，这令马利肯也大惑不解。他一再声称分子轨道理论是他和洪特共同的成就，这个理论也常常被称为马利肯-洪特方法。

让我们回到曹则贤老师的故事。他硕士毕业后到德国凯泽斯劳滕（Kaiserslautern）大学留学。1997年4月1日中午，他下班时像往常一样走向电梯，却突然看到电梯口贴着一张讣告，上面写的是 “我们尊敬的Friedrich Hund 教授不幸于日前去世，享年101岁……洪特教授以洪特规则而闻名于世……” (大意) 。

曹则贤老师一直记得自己当时的震惊：天哪，我原子物理课上学的洪特定则里的那个洪特，这些年居然一直活着，还就在离我上学的学校不远的地方？！第一次，我感觉到为我们创造物理学的那些神一样的人物竟然可以是活的，可以是邻村的大爷。这太鼓舞人心了。原来，物理学的创造是可以离我们普通人那么近的。大约是从那时刻起，我决定当一个好学生。人家辛辛苦苦给我们创造了那么美妙的物理，咱就抽空学学还不认真点儿？