聊一聊那些“隔空移物”的光學魔法
【編者按】本文作者看風景蝸牛君，中科院光學工程博士。
2005年上映了一部評價極佳、趣味十足的科幻影片，叫做《銀河系漫遊指南》。這部電影的開頭，是一個關於強拆的故事。主人公阿瑟的房子因為修建公路要被拆掉，與此同時，地球因為銀河系要修建空間高速公路，也要被摧毀。於是阿瑟在外星朋友福特的幫助下，在最後一刻搭便車登上了一艘宇宙飛船，開啟了銀河系冒險之旅。而他們登船的方式，就是通過一束光。
無獨有偶，2010年美國上映了一部評價不是那麼好的科幻電影，《天際浩劫》。影片中，外星人通過一束藍色的光將地球上的生物體吸入飛船內，要來毀滅我們的文明。
可以看出，利用光來實現“隔空移物”是許多科幻編劇共同的腦洞。
其實，關於此類幻想，自古以來就沒斷過。尤其是上世紀我國興起氣功熱之後，關於氣功大師能夠隔空移物的報道就絡繹不絕。不少人宣稱自己有這方面的“特異功能”，可以利用“真氣”移動物體。後來這些大師被媒體陸續打假，有的是利用電磁開關詐騙錢財，有的壓根就是玩的障眼法。看着他們一本正經地胡説八道，真是有種既好笑又可憐的複雜情緒。
不過，古代的很多幻想，隨着科技的發展逐漸成為了現實。例如，“點石成金”之術以前被認為是神仙法術，現在我們知道，這本質上就是元素的變化，屬於核物理學範疇，或許可以通過高能物理改變原子核構造來實現。雖然目前還做不到真的“點石成金”，但至少理論上看到了希望。
同樣，利用光來實現“隔空移物”之術，也不再是電影中的空談，近年來得到了理論和實驗的驗證，科學名詞叫做“光鑷（Optical Tweezers）效應”。我們都知道，光子雖然沒有靜止質量，但是有動量和能量。因此光照射在物體上，也是會有力的作用的。而且同樣遵循我們熟悉的力學物理定律，即作用力與反作用力。所以不少科幻小説中會構想利用一面巨大的太陽帆，讓光施加壓力使得飛船源源不斷地加速，最終可以實現超高速飛行。
光鑷的基本原理與光的作用力有關，大概就是這個樣子的（此部分涉及一點力學分析，讀理科的同學感興趣的話可以看看，讀文科的同學若是看不懂也實屬正常，隨便跳過只要看一眼結論就可以了）：
以一束聚焦光束為例。圖中光聚焦後，焦點後有一個透明的小球，折射率大於周圍環境的折射率，因此圓錐形光束通過小球后，會向內產生偏折。我們剛才提到過，光的作用力也是有反作用力的，小球使得光產生了向內側的偏折，光自然會對小球產生反向的作用力，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剖面而已，實際空間中的虛線是一個立體的圓錐，合起來的力會把小球推向光束的焦點位置。
因此我們可以得到一個結論：聚焦光束會對焦點附近的物體施加力的作用，就像用鑷子把物體夾緊一樣，光鑷效應會使物體被鎖在焦點處，實現隔空移物的操作。
以上只是一個非常粗糙的最簡形式的力學分析，讓大家明白這個直覺上有些難以理解的結論其實恰恰是符合日常的力學規律的。實際上光鑷效應所需要的是一束高斯分佈的強光束提供梯度力，日常光束難以滿足需求。而激光的出現讓這個問題得到了解決，使得光鑷技術正式成為了一項實用化的微操控技術。
（截圖來自文獻《Dynamic Holographic Optical Tweezers》）
例如，2002年美國科學家利用光鑷技術對一系列微米量級的小顆粒進行了移動操作。科學家們將這些直徑為0.99微米的硅膠小球進行了多種形狀的排布，都輕鬆實現了設計的外觀。只見小夥伴們一會兒排成直線，一會兒排成圓形，好不快活。
若是你以為光鑷僅能排布一下小顆粒，那就大錯特錯了。由於光鑷技術是一種非接觸式的操控技術，不會對物體造成機械損傷，因此目前光鑷技術已經廣泛應用在細胞操縱領域。
（截圖來自文獻《Optical tweezers for single cells》）
科學家將細胞兩側分別粘上一粒石英微珠，直徑4.9微米。其中左側的石英珠被固定到玻璃上，相對另一側的石英珠利用光鑷控制住，然後兩側開始向外拉扯……圖a是初始形態的示意圖，圓滾滾的球形。圖b就是拉扯後的示意圖，都成了梭子了……圖c中是實驗中顯微鏡拍攝的照片，從0pN增大到29pN，再增大到67pN，最後到達109pN。看完這幅圖，不禁想求細胞內心的陰影面積。
從剛才的實例也可以看出，目前光鑷能夠提供的力度還是非常小的。數學上1pN=10^-12N，高中時候我們學過，兩個雞蛋的重量約為1N，因此1pN差不多就是把兩個雞蛋平均分成一萬億份，取出其中一份的重量。再想想你有多少個雞蛋重呢？
所以目前光鑷主要用於操控微米量級的超小物體，對單細胞進行一下操作還是可以的，想要實現電影中把人牽引起來的狀態，還任重而道遠。
説完了“光鑷”，再來説一説“光學扳手”。既然我們已經可以利用光把物體鎖在固定的位置了，那麼若是將光旋轉起來，不就可以讓物體也跟着旋轉了嗎？
這是個很簡單但很可行的方法。因為科學家發現，的確有一種光束是旋轉的，叫做“軌道角動量（Orbital Angular Momentum, OAM）光束”。軌道角動量是光子角動量的一種，攜帶軌道角動量的光束相位是螺旋形的：
（圖片來自維基百科）
軌道角動量的取值學名叫做“拓撲荷值”，可以是任意的整數，這一點在光通信領域是個巨大的優勢。實際上目前最為前沿的量子通信領域中，就利用到了包括軌道角動量糾纏在內的多種光子糾纏。
還是回到正題。軌道角動量光束的拓撲荷值越大，意味着光束旋轉的越快。將這種光束聚焦後，在實現光鑷效應的同時，還會使物體產生旋轉的扭矩，就像有一個扳手在扳動物體一樣。不過與光鑷類似，光學扳手能夠提供的力也是pN量級的，要想指望一束光把人給翻個跟頭，還是隻能在電影和小説中呢。
總之，光學中的很多現象與性質是非常神奇的，在科學家的努力下，“隔空移物”的魔法也正在一步步實現。
資料來源：雷鋒網
作者/編輯：看風景的蝸牛君
2005年上映了一部評價極佳、趣味十足的科幻影片，叫做《銀河系漫遊指南》。這部電影的開頭，是一個關於強拆的故事。主人公阿瑟的房子因為修建公路要被拆掉，與此同時，地球因為銀河系要修建空間高速公路，也要被摧毀。於是阿瑟在外星朋友福特的幫助下，在最後一刻搭便車登上了一艘宇宙飛船，開啟了銀河系冒險之旅。而他們登船的方式，就是通過一束光。
無獨有偶，2010年美國上映了一部評價不是那麼好的科幻電影，《天際浩劫》。影片中，外星人通過一束藍色的光將地球上的生物體吸入飛船內，要來毀滅我們的文明。
可以看出，利用光來實現“隔空移物”是許多科幻編劇共同的腦洞。
其實，關於此類幻想，自古以來就沒斷過。尤其是上世紀我國興起氣功熱之後，關於氣功大師能夠隔空移物的報道就絡繹不絕。不少人宣稱自己有這方面的“特異功能”，可以利用“真氣”移動物體。後來這些大師被媒體陸續打假，有的是利用電磁開關詐騙錢財，有的壓根就是玩的障眼法。看着他們一本正經地胡説八道，真是有種既好笑又可憐的複雜情緒。
不過，古代的很多幻想，隨着科技的發展逐漸成為了現實。例如，“點石成金”之術以前被認為是神仙法術，現在我們知道，這本質上就是元素的變化，屬於核物理學範疇，或許可以通過高能物理改變原子核構造來實現。雖然目前還做不到真的“點石成金”，但至少理論上看到了希望。
同樣，利用光來實現“隔空移物”之術，也不再是電影中的空談，近年來得到了理論和實驗的驗證，科學名詞叫做“光鑷（Optical Tweezers）效應”。我們都知道，光子雖然沒有靜止質量，但是有動量和能量。因此光照射在物體上，也是會有力的作用的。而且同樣遵循我們熟悉的力學物理定律，即作用力與反作用力。所以不少科幻小説中會構想利用一面巨大的太陽帆，讓光施加壓力使得飛船源源不斷地加速，最終可以實現超高速飛行。
光鑷的基本原理與光的作用力有關，大概就是這個樣子的（此部分涉及一點力學分析，讀理科的同學感興趣的話可以看看，讀文科的同學若是看不懂也實屬正常，隨便跳過只要看一眼結論就可以了）：
以一束聚焦光束為例。圖中光聚焦後，焦點後有一個透明的小球，折射率大於周圍環境的折射率，因此圓錐形光束通過小球后，會向內產生偏折。我們剛才提到過，光的作用力也是有反作用力的，小球使得光產生了向內側的偏折，光自然會對小球產生反向的作用力，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剖面而已，實際空間中的虛線是一個立體的圓錐，合起來的力會把小球推向光束的焦點位置。
因此我們可以得到一個結論：聚焦光束會對焦點附近的物體施加力的作用，就像用鑷子把物體夾緊一樣，光鑷效應會使物體被鎖在焦點處，實現隔空移物的操作。
以上只是一個非常粗糙的最簡形式的力學分析，讓大家明白這個直覺上有些難以理解的結論其實恰恰是符合日常的力學規律的。實際上光鑷效應所需要的是一束高斯分佈的強光束提供梯度力，日常光束難以滿足需求。而激光的出現讓這個問題得到了解決，使得光鑷技術正式成為了一項實用化的微操控技術。
（截圖來自文獻《Dynamic Holographic Optical Tweezers》）
例如，2002年美國科學家利用光鑷技術對一系列微米量級的小顆粒進行了移動操作。科學家們將這些直徑為0.99微米的硅膠小球進行了多種形狀的排布，都輕鬆實現了設計的外觀。只見小夥伴們一會兒排成直線，一會兒排成圓形，好不快活。
若是你以為光鑷僅能排布一下小顆粒，那就大錯特錯了。由於光鑷技術是一種非接觸式的操控技術，不會對物體造成機械損傷，因此目前光鑷技術已經廣泛應用在細胞操縱領域。
（截圖來自文獻《Optical tweezers for single cells》）
科學家將細胞兩側分別粘上一粒石英微珠，直徑4.9微米。其中左側的石英珠被固定到玻璃上，相對另一側的石英珠利用光鑷控制住，然後兩側開始向外拉扯……圖a是初始形態的示意圖，圓滾滾的球形。圖b就是拉扯後的示意圖，都成了梭子了……圖c中是實驗中顯微鏡拍攝的照片，從0pN增大到29pN，再增大到67pN，最後到達109pN。看完這幅圖，不禁想求細胞內心的陰影面積。
從剛才的實例也可以看出，目前光鑷能夠提供的力度還是非常小的。數學上1pN=10^-12N，高中時候我們學過，兩個雞蛋的重量約為1N，因此1pN差不多就是把兩個雞蛋平均分成一萬億份，取出其中一份的重量。再想想你有多少個雞蛋重呢？
所以目前光鑷主要用於操控微米量級的超小物體，對單細胞進行一下操作還是可以的，想要實現電影中把人牽引起來的狀態，還任重而道遠。
説完了“光鑷”，再來説一説“光學扳手”。既然我們已經可以利用光把物體鎖在固定的位置了，那麼若是將光旋轉起來，不就可以讓物體也跟着旋轉了嗎？
這是個很簡單但很可行的方法。因為科學家發現，的確有一種光束是旋轉的，叫做“軌道角動量（Orbital Angular Momentum, OAM）光束”。軌道角動量是光子角動量的一種，攜帶軌道角動量的光束相位是螺旋形的：
（圖片來自維基百科）
軌道角動量的取值學名叫做“拓撲荷值”，可以是任意的整數，這一點在光通信領域是個巨大的優勢。實際上目前最為前沿的量子通信領域中，就利用到了包括軌道角動量糾纏在內的多種光子糾纏。
還是回到正題。軌道角動量光束的拓撲荷值越大，意味着光束旋轉的越快。將這種光束聚焦後，在實現光鑷效應的同時，還會使物體產生旋轉的扭矩，就像有一個扳手在扳動物體一樣。不過與光鑷類似，光學扳手能夠提供的力也是pN量級的，要想指望一束光把人給翻個跟頭，還是隻能在電影和小説中呢。
總之，光學中的很多現象與性質是非常神奇的，在科學家的努力下，“隔空移物”的魔法也正在一步步實現。
資料來源：雷鋒網
作者/編輯：看風景的蝸牛君