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| 本文作者： 看風(fēng)景的蝸牛君 | 2016-03-05 09:06 |
【編者按】本文作者看風(fēng)景的蝸牛君，中科院光學(xué)工程博士。
2005年上映了一部評(píng)價(jià)極佳、趣味十足的科幻影片，叫做《銀河系漫游指南》。這部電影的開頭，是一個(gè)關(guān)于強(qiáng)拆的故事。主人公阿瑟的房子因?yàn)樾藿ü芬徊鸬簦c此同時(shí)，地球因?yàn)殂y河系要修建空間高速公路，也要被摧毀。于是阿瑟在外星朋友福特的幫助下，在最后一刻搭便車登上了一艘宇宙飛船，開啟了銀河系冒險(xiǎn)之旅。而他們登船的方式，就是通過(guò)一束光。
無(wú)獨(dú)有偶，2010年美國(guó)上映了一部評(píng)價(jià)不是那么好的科幻電影，《天際浩劫》。影片中，外星人通過(guò)一束藍(lán)色的光將地球上的生物體吸入飛船內(nèi)，要來(lái)毀滅我們的文明。
可以看出，利用光來(lái)實(shí)現(xiàn)“隔空移物”是許多科幻編劇共同的腦洞。
其實(shí)，關(guān)于此類幻想，自古以來(lái)就沒(méi)斷過(guò)。尤其是上世紀(jì)我國(guó)興起氣功熱之后，關(guān)于氣功大師能夠隔空移物的報(bào)道就絡(luò)繹不絕。不少人宣稱自己有這方面的“特異功能”，可以利用“真氣”移動(dòng)物體。后來(lái)這些大師被媒體陸續(xù)打假，有的是利用電磁開關(guān)詐騙錢財(cái)，有的壓根就是玩的障眼法。看著他們一本正經(jīng)地胡說(shuō)八道，真是有種既好笑又可憐的復(fù)雜情緒。
不過(guò)，古代的很多幻想，隨著科技的發(fā)展逐漸成為了現(xiàn)實(shí)。例如，“點(diǎn)石成金”之術(shù)以前被認(rèn)為是神仙法術(shù)，現(xiàn)在我們知道，這本質(zhì)上就是元素的變化，屬于核物理學(xué)范疇，或許可以通過(guò)高能物理改變?cè)雍藰?gòu)造來(lái)實(shí)現(xiàn)。雖然目前還做不到真的“點(diǎn)石成金”，但至少理論上看到了希望。
同樣，利用光來(lái)實(shí)現(xiàn)“隔空移物”之術(shù)，也不再是電影中的空談，近年來(lái)得到了理論和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，科學(xué)名詞叫做“光鑷（Optical Tweezers）效應(yīng)”。我們都知道，光子雖然沒(méi)有靜止質(zhì)量，但是有動(dòng)量和能量。因此光照射在物體上，也是會(huì)有力的作用的。而且同樣遵循我們熟悉的力學(xué)物理定律，即作用力與反作用力。所以不少科幻小說(shuō)中會(huì)構(gòu)想利用一面巨大的太陽(yáng)帆，讓光施加壓力使得飛船源源不斷地加速，最終可以實(shí)現(xiàn)超高速飛行。
光鑷的基本原理與光的作用力有關(guān)，大概就是這個(gè)樣子的（此部分涉及一點(diǎn)力學(xué)分析，讀理科的同學(xué)感興趣的話可以看看，讀文科的同學(xué)若是看不懂也實(shí)屬正常，隨便跳過(guò)只要看一眼結(jié)論就可以了）：
以一束聚焦光束為例。圖中光聚焦后，焦點(diǎn)后有一個(gè)透明的小球，折射率大于周圍環(huán)境的折射率，因此圓錐形光束通過(guò)小球后，會(huì)向內(nèi)產(chǎn)生偏折。我們剛才提到過(guò)，光的作用力也是有反作用力的，小球使得光產(chǎn)生了向內(nèi)側(cè)的偏折，光自然會(huì)對(duì)小球產(chǎn)生反向的作用力，而反作用的方向如下圖中虛線所示。圖中所示的僅僅是一個(gè)剖面而已，實(shí)際空間中的虛線是一個(gè)立體的圓錐，合起來(lái)的力會(huì)把小球推向光束的焦點(diǎn)位置。
因此我們可以得到一個(gè)結(jié)論：聚焦光束會(huì)對(duì)焦點(diǎn)附近的物體施加力的作用，就像用鑷子把物體夾緊一樣，光鑷效應(yīng)會(huì)使物體被鎖在焦點(diǎn)處，實(shí)現(xiàn)隔空移物的操作。
以上只是一個(gè)非常粗糙的最簡(jiǎn)形式的力學(xué)分析，讓大家明白這個(gè)直覺上有些難以理解的結(jié)論其實(shí)恰恰是符合日常的力學(xué)規(guī)律的。實(shí)際上光鑷效應(yīng)所需要的是一束高斯分布的強(qiáng)光束提供梯度力，日常光束難以滿足需求。而激光的出現(xiàn)讓這個(gè)問(wèn)題得到了解決，使得光鑷技術(shù)正式成為了一項(xiàng)實(shí)用化的微操控技術(shù)。
（截圖來(lái)自文獻(xiàn)《Dynamic Holographic Optical Tweezers》）
例如，2002年美國(guó)科學(xué)家利用光鑷技術(shù)對(duì)一系列微米量級(jí)的小顆粒進(jìn)行了移動(dòng)操作。科學(xué)家們將這些直徑為0.99微米的硅膠小球進(jìn)行了多種形狀的排布，都輕松實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的外觀。只見小伙伴們一會(huì)兒排成直線，一會(huì)兒排成圓形，好不快活。
若是你以為光鑷僅能排布一下小顆粒，那就大錯(cuò)特錯(cuò)了。由于光鑷技術(shù)是一種非接觸式的操控技術(shù)，不會(huì)對(duì)物體造成機(jī)械損傷，因此目前光鑷技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在細(xì)胞操縱領(lǐng)域。
（截圖來(lái)自文獻(xiàn)《Optical tweezers for single cells》）
科學(xué)家將細(xì)胞兩側(cè)分別粘上一粒石英微珠，直徑4.9微米。其中左側(cè)的石英珠被固定到玻璃上，相對(duì)另一側(cè)的石英珠利用光鑷控制住，然后兩側(cè)開始向外拉扯……圖a是初始形態(tài)的示意圖，圓滾滾的球形。圖b就是拉扯后的示意圖，都成了梭子了……圖c中是實(shí)驗(yàn)中顯微鏡拍攝的照片，從0pN增大到29pN，再增大到67pN，最后到達(dá)109pN。看完這幅圖，不禁想求細(xì)胞內(nèi)心的陰影面積。
從剛才的實(shí)例也可以看出，目前光鑷能夠提供的力度還是非常小的。數(shù)學(xué)上1pN=10^-12N，高中時(shí)候我們學(xué)過(guò)，兩個(gè)雞蛋的重量約為1N，因此1pN差不多就是把兩個(gè)雞蛋平均分成一萬(wàn)億份，取出其中一份的重量。再想想你有多少個(gè)雞蛋重呢？
所以目前光鑷主要用于操控微米量級(jí)的超小物體，對(duì)單細(xì)胞進(jìn)行一下操作還是可以的，想要實(shí)現(xiàn)電影中把人牽引起來(lái)的狀態(tài)，還任重而道遠(yuǎn)。
說(shuō)完了“光鑷”，再來(lái)說(shuō)一說(shuō)“光學(xué)扳手”。既然我們已經(jīng)可以利用光把物體鎖在固定的位置了，那么若是將光旋轉(zhuǎn)起來(lái)，不就可以讓物體也跟著旋轉(zhuǎn)了嗎？
這是個(gè)很簡(jiǎn)單但很可行的方法。因?yàn)榭茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，的確有一種光束是旋轉(zhuǎn)的，叫做“軌道角動(dòng)量（Orbital Angular Momentum, OAM）光束”。軌道角動(dòng)量是光子角動(dòng)量的一種，攜帶軌道角動(dòng)量的光束相位是螺旋形的：
（圖片來(lái)自維基百科）
軌道角動(dòng)量的取值學(xué)名叫做“拓?fù)浜芍怠保梢允侨我獾恼麛?shù)，這一點(diǎn)在光通信領(lǐng)域是個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。實(shí)際上目前最為前沿的量子通信領(lǐng)域中，就利用到了包括軌道角動(dòng)量糾纏在內(nèi)的多種光子糾纏。
還是回到正題。軌道角動(dòng)量光束的拓?fù)浜芍翟酱螅馕吨馐D(zhuǎn)的越快。將這種光束聚焦后，在實(shí)現(xiàn)光鑷效應(yīng)的同時(shí)，還會(huì)使物體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的扭矩，就像有一個(gè)扳手在扳動(dòng)物體一樣。不過(guò)與光鑷類似，光學(xué)扳手能夠提供的力也是pN量級(jí)的，要想指望一束光把人給翻個(gè)跟頭，還是只能在電影和小說(shuō)中呢。
總之，光學(xué)中的很多現(xiàn)象與性質(zhì)是非常神奇的，在科學(xué)家的努力下，“隔空移物”的魔法也正在一步步實(shí)現(xiàn)。
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