Артур Эшкин

Краткая биография

Жизнь и работа

Артур Эшкин родился 2 сентября 1922 года в Бруклине, Нью-Йорк. Он изучал физику в Колумбийском университете, а затем получил докторскую степень по ядерной физике в Корнеллском университете. В 1952 году Эшкин пришёл в Bell Laboratories, где проработал несколько десятилетий. За это время он занимался не только лазерной физикой, но и нелинейной оптикой, фотопреломлением и волоконной оптикой. Однако главная работа его жизни выросла из, на первый взгляд, почти фантастического вопроса: можно ли светом не просто освещать объект, а реально двигать и удерживать его.

Идея не была совсем новой. Физики давно понимали, что свет переносит импульс, а значит, способен оказывать давление на вещество. Но долгое время это казалось слишком слабым эффектом, чтобы использовать его как рабочий инструмент. Свет представлялся чем-то почти нематериальным: он может нагревать, вызывать химические реакции, создавать изображение, но вряд ли способен заметно сдвинуть твёрдую частицу. С появлением лазеров ситуация изменилась. Узкий интенсивный луч позволил проверить, как именно световые силы действуют на очень маленькие объекты.

В 1970 году Эшкин опубликовал работу, в которой показал, что лазерное излучение может ускорять и удерживать прозрачные микрочастицы в устойчивой оптической ловушке. Это был принципиальный шаг. Он продемонстрировал, что радиационное давление и градиент светового поля можно использовать не только для «толчка» частицы, но и для её управляемого захвата. В последующие годы Эшкин совершенствовал эту идею, исследуя, как конфигурация лазерного пучка влияет на поведение микроскопических объектов в воде и в воздухе.

Ключевой прорыв произошёл в 1986 году, когда Эшкин описал однолучевую градиентную ловушку для диэлектрических частиц. Именно этот вариант обычно и называют оптическим пинцетом. Если лазерный луч сильно сфокусирован, частица с подходящими оптическими свойствами испытывает силу, направленную к области максимальной интенсивности света. В результате она может удерживаться вблизи фокуса. Это был элегантный физический принцип: никакого механического зажима, никакого контакта с инструментом — только взаимодействие объекта со световым полем.

Особенно важным оказалось то, что метод работал не только с искусственными шариками в лабораторной жидкости. Эшкин и его коллеги показали, что оптическими ловушками можно захватывать вирусы, бактерии и живые клетки. Это открыло путь в биологию и медицину. До этого исследователям часто приходилось выбирать между грубыми механическими манипуляциями и косвенными измерениями. Оптические пинцеты дали возможность удерживать микроскопический объект сравнительно мягко и точно, практически не касаясь его ничем, кроме света.

Со временем метод превратился в один из основных инструментов single-molecule biophysics — биофизики отдельных молекул. К молекуле ДНК, белковому комплексу или другой биомолекуле можно прикрепить микроскопические бусины и затем удерживать их лазерными ловушками. По смещению частицы удаётся измерять чрезвычайно малые силы и наблюдать, как растягивается ДНК, как молекулярный мотор движется по нити, как белки связываются друг с другом или меняют свою форму. В современной литературе такие эксперименты кажутся почти привычными, но они стали возможны только после того, как кто-то доказал, что свет может быть не только средством наблюдения, но и инструментом точного действия.

При этом было бы неправильно приписывать Эшкину создание всей современной молекулярной биофизики или всех лазерных методов в биологии. Его особый вклад состоял в физическом принципе и в превращении этого принципа в работающую технологию. Позднее огромное число исследователей развивали приборы, детекторы, способы калибровки сил и разнообразные биологические приложения. Но отправной точкой осталась работа Эшкина: именно он показал, что сфокусированный луч может быть устойчивой оптической ловушкой для микроскопического объекта.

В 2018 году Артур Эшкин получил половину Нобелевской премии по физике «за оптические пинцеты и их применение к биологическим системам». Эта формулировка удачно отражает двойную важность его работы. С одной стороны, речь шла о фундаментальной физике света и материи. С другой — о методе, который оказался необычайно полезным для изучения живых систем. Оптические пинцеты используются в биофизике, клеточной биологии, микрофлюидике и ряде прикладных направлений, где нужно точно удерживать или измерять поведение микроскопических объектов.

После ухода из Bell Labs Эшкин не перестал заниматься изобретательством и продолжал экспериментировать, в том числе в домашней лаборатории. Он умер 21 сентября 2020 года в Рамсоне, штат Нью-Джерси. История Эшкина особенно хороша для научно-популярного рассказа, потому что начинается с простого и почти наивного вопроса — может ли свет что-то удержать? — а приводит к инструменту, с помощью которого исследуют самые тонкие механизмы жизни на масштабе одной молекулы.