發現自然之美：諾貝爾物理獎1981

1981 年的諾貝爾物理獎頒給了三位從事光學的物理學家。瑞典物理學家凱· 曼內·伯耶·西格巴恩（Kai Manne Börje Siegbahn，1918 年4月20 日-2007年7月20日）以「對開發高解析度電子光譜儀（electron spectroscopy）的貢獻」得到一半的獎金，另一半的獎金則是由兩位美國物理學家平分，他們是出生於荷蘭的尼古拉斯· 布隆貝根（Nicolaas Bloembergen，1920年3月11日-2017年9月5日）和出生於美國，但在加拿大成長的亞瑟·蕭洛（Arthur Schawlow，1921年5月5日-1999年4月28日）， 他們兩人的得獎理由是「對開發雷射光譜儀（laser　spectroscopy）的貢獻」，也奠定他們在非線性光學中的地位。

凱·西格巴恩於1918年出生於隆德，於1944年在斯德哥爾摩大學獲博士學位，1951年至1954年於皇家工學院任教授，1954年轉到烏普薩拉大學任實驗物理學教授至1984年。他的父親曼內·西格巴恩曾獲1924年諾貝爾物理學獎，他們是諾貝爾物理獎的四對父子檔中的一對。其他三對是一起獲獎的布拉格父子，丹麥的波爾父子還有英國的湯木生父子。曼內·西格巴恩當年是因為研究X 射線的光譜而得獎，凱·西格巴恩則是因為研究X 射線光電子能譜學（X-ray hotoelectron　spectroscopy，簡稱XPS）而得獎。

XPS的原理為利用X射線照射樣品，激發原子的內層電子及價電子，激發出來的電子稱為光電子。通過測量不同能量的光電子的數目，然後以光電子的動能為橫坐標，相對強度為縱坐標，可做出光電子能譜圖，由此可以獲得樣品的相關資訊。X射線光電子能譜學特別對化學分析有極大的用處，所以也被稱為化學分析用電子能譜學，XPS能夠檢測到所有原子序數大於等於3 的元素，但不能檢測到氫和氦。

XPS 主要功能有三個：確定樣品表面1-10 nm 厚度內的元素種類（除了氫和氦以外），確定元素的相對百分比含量，還有元素的化學環境。此外，高解析度的XPS 還能測量到所謂的化學位移（chemical shift），化學位移指的是光電子能譜中，同一種原子的內層電子峰，由於所處化學環境的不同，在能量方向上產生的微小改變。化學位移是一種初態效應（Initial State Effect），即內層的電洞生成之前就存在的效應，對於某能階的電子，其電子結合能（Electron binding energy）由它與原子核之間的庫倫力和其他電子的遮蔽效應（Screening effect）共同決定，之所以稱為「化學位移」是由於化學鍵的形成過程中牽涉到電子轉移，原子中電子的密度分布也會隨之改變，進而影響到電子的結合能。一般來說，更多的電子會增強遮蔽效應，造成電子結合能的降低，使對應的峰向能量較低的方向移動，因為化學位移的位移量一般在1 eV 到10 eV 不等，所以只有在解析度較高的XPS 才有辦法觀測得到。

凱· 西格巴恩在烏普薩拉的研究小組於第二次世界大戰後，在研發XPS設備中獲得了多項重大進展。他們首先於1954年獲得了氯化鈉的首條高解析度的X 射線光電子能譜，這個結果顯示XPS技術的強大潛力。1967年之後的幾年間，西格巴恩就XPS技術發表了一系列學術成果，甚至到了1969年，美國惠普公司在與西格巴恩的合作下製造了世界上首台商業單色X射線光電子能譜儀，這打開了XPS被廣泛應用的大門，也奠定了凱· 西格巴恩的學術地位。

至於另外兩位得主則是由於雷射獲獎，早在1964 年，蕭洛的妹婿查爾斯· 哈德·湯斯（Charles Hard Townes，1915-2015）就因為「在量子電子學領域的基礎研究成果，該成果導致了基於邁射－雷射原理建造的振盪器和放大器」與兩位蘇聯科學家分享諾貝爾獎。事實上，當年湯斯是和蕭洛一起從理論上表明，邁射原理可以也適用可見光和紅外區域，並提出如何可以在特定系統中完成。這項工作導致了他們關於光學和紅外雷射的論，雖然那一次蕭洛沒有得獎，但在十七年後還是得到諾貝爾委員會的肯定。

蕭洛雖然在美國出生，但是卻在加拿大成長，他於16歲時，獲得多倫多大學（維多利亞學院）的科學獎學金。大學畢業後，蕭洛繼續在多倫多大學繼續求學，但由於第二次世界大戰而中斷。戰爭結束後，他開始在大學跟隨馬爾科姆· 克勞福德攻讀博士學位。1949年，他在哥倫比亞大學物理系跟隨湯斯（Charles H. Townes）從事博士後研究；1951年底，他開始在貝爾實驗室工作。蕭洛和湯斯是最早在1958年關於「光學微波激射器」的開創性論文中發表激光設計和操作理論的人，儘管戈登· 古爾德經常被認為是雷射的「發明人」，因為古爾德未發表的工作比蕭洛和湯斯早了幾個月。第一個真正可以操作的雷射則是由Theodore Maiman於1960年製造的；1961年，蕭洛離開貝爾實驗室，加入史丹佛大學擔任教授，他一直留在史丹佛大學，直到1996年退休。

蕭洛除了開發出第一台雷射之外、對雷射物理領域還有眾多貢獻，像是他的雷射光譜學研究以及開發測量原子和分子特性的新方法。他還在研究光與物質相互作用的非線性光學領域的發展中有許多貢獻；除了對雷射的研究之外，蕭洛還研究了原子和分子在磁場中的行為，他對運用核磁共振用於醫學成像和化學分析也頗有貢獻，像是他就發展出通過使用雷射標記選定一個較低能級（週期性耗盡或定向）來簡化複雜原子或分子光譜的方法、他也曾利用非雷射高靈敏度的光譜來檢測單原子層和金屬中的稀土離子；此外，他也研究過影響半導體二極管雷射器可調諧性的因素等等。

布隆貝根於1920年3月11日出生於荷蘭的多德雷赫特，他的父親是一名化學工程師。1938年，布隆貝根進入烏得勒支大學學習物理學。第二次世界大戰期間，德國當局關閉了大學，布隆貝根躲藏了兩年，他於1945年離開飽受戰爭蹂躪的荷蘭，前往哈佛大學攻讀博士，師從愛德華· 米爾斯· 普塞爾（Edward Mills Purcell）。通過普塞爾，布隆貝根成為J.J.湯木生的學術譜系的一部分，其中包括許多其他諾貝爾獎獲得者，從湯木生本人（諾貝爾物理學獎，1906年）和瑞利勳爵（諾貝爾物理學獎，1904年）、歐內斯特· 拉塞福（Ernest Rutherford）（諾貝爾化學獎，1908年）開始、Owen Richardson （諾貝爾物理學獎，1928年），最後是普塞爾（物理學獎，1952年諾貝爾獎）與布隆貝根。在抵達美國前六週，普塞爾和他的研究生托里和龐德發現了核磁共振（NMR），布隆貝根參與開發第一台核磁共振儀的工作。在哈佛大學，他也參加了許文格、范扶累克和肯布爾的講座，布倫貝根的NMR 系統是現代MRI機器的前身，用於檢查內臟和組織。布倫貝根對NMR 的研究引起了大家對微波激射器的興趣，微波激射器於1953 年推出，是雷射的前身。

布隆貝根於1947年返回荷蘭，並在萊頓大學提交了論文《核磁弛豫》，這是因為他在荷蘭完成了所有的初步考試，萊頓的Cor Gorter 為他提供了博士後研究員的職位，他在1948年從萊頓獲得博士學位，然後在萊頓做了大約一年的博士後，1949年，他作為研究員協會的初級研究員返回哈佛；1951年晉升副教授；1957年，他成為戈登· 麥凱應用物理學教授；1974 年任拉姆福德物理學教授；1980年，格哈德·蓋德大學教授；1990年他從哈佛大學退休。布隆貝根研究了當人們用聚焦的高強度光子束轟擊物質時，如何揭示一種新的物質結構，他將其稱為非線性光學研究。布隆貝根在回顧1990 年在荷蘭一家報紙上的工作時說道：「我們拿了一本關於光學的標準教科書，對於每個部分，我們都會問自己，如果強度變得非常高，會發生什麼。我們幾乎可以肯定會受到限制在該領域遇到一種全新類型的物理學。」布隆貝根找到了將不只一個由可見光頻率範圍內的光子組成的雷射光源組合起來的方法，以生成具有紅外和紫外範圍內不同頻率的光子的單個雷射光源，從而通過雷射光譜來收集更多的原子結構細節。

三人得獎之後，持續鑽研光學直到退休。蕭洛於1999年過世，享年七十八；凱·西格巴恩則是於2007年過世，享壽八十九；布隆貝根最長壽，於2017年過世，享壽九十七。