聊一聊那些“隔空移物”的光学魔法

创客

2005年上映了一部评价极佳、趣味十足的科幻影片，叫做《银河系漫游指南》。这部电影的开头，是一个关于强拆的故事。主人公阿瑟的房子因为修建公路要被拆掉，与此同时，地球因为银河系要修建空间高速公路，也要被摧毁。于是阿瑟在外星朋友福特的帮助下，在最后一刻搭便车登上了一艘宇宙飞船，开启了银河系冒险之旅。而他们登船的方式，就是通过一束光。

无独有偶，2010年美国上映了一部评价不是那么好的科幻电影，《天际浩劫》。影片中，外星人通过一束蓝色的光将地球上的生物体吸入飞船内，要来毁灭我们的文明。

可以看出，利用光来实现“隔空移物”是许多科幻编剧共同的脑洞。
其实，关于此类幻想，自古以来就没断过。尤其是上世纪我国兴起气功热之后，关于气功大师能够隔空移物的报道就络绎不绝。不少人宣称自己有这方面的“特异功能”，可以利用“真气”移动物体。后来这些大师被媒体陆续打假，有的是利用电磁开关诈骗钱财，有的压根就是玩的障眼法。看着他们一本正经地胡说八道，真是有种既好笑又可怜的复杂情绪。
不过，古代的很多幻想，随着科技的发展逐渐成为了现实。例如，“点石成金”之术以前被认为是神仙法术，现在我们知道，这本质上就是元素的变化，属于核物理学范畴，或许可以通过高能物理改变原子核构造来实现。虽然目前还做不到真的“点石成金”，但至少理论上看到了希望。
同样，利用光来实现“隔空移物”之术，也不再是电影中的空谈，近年来得到了理论和实验的验证，科学名词叫做“光镊（Optical Tweezers）效应”。我们都知道，光子虽然没有静止质量，但是有动量和能量。因此光照射在物体上，也是会有力的作用的。而且同样遵循我们熟悉的力学物理定律，即作用力与反作用力。所以不少科幻小说中会构想利用一面巨大的太阳帆，让光施加压力使得飞船源源不断地加速，最终可以实现超高速飞行。
光镊的基本原理与光的作用力有关，大概就是这个样子的（此部分涉及一点力学分析，读理科的同学感兴趣的话可以看看，读文科的同学若是看不懂也实属正常，随便跳过只要看一眼结论就可以了）：
以一束聚焦光束为例。图中光聚焦后，焦点后有一个透明的小球，折射率大于周围环境的折射率，因此圆锥形光束通过小球后，会向内产生偏折。我们刚才提到过，光的作用力也是有反作用力的，小球使得光产生了向内侧的偏折，光自然会对小球产生反向的作用力，而反作用的方向如下图中虚线所示。图中所示的仅仅是一个剖面而已，实际空间中的虚线是一个立体的圆锥，合起来的力会把小球推向光束的焦点位置。

因此我们可以得到一个结论：聚焦光束会对焦点附近的物体施加力的作用，就像用镊子把物体夹紧一样，光镊效应会使物体被锁在焦点处，实现隔空移物的操作。
以上只是一个非常粗糙的最简形式的力学分析，让大家明白这个直觉上有些难以理解的结论其实恰恰是符合日常的力学规律的。实际上光镊效应所需要的是一束高斯分布的强光束提供梯度力，日常光束难以满足需求。而激光的出现让这个问题得到了解决，使得光镊技术正式成为了一项实用化的微操控技术。

（截图来自文献《Dynamic Holographic Optical Tweezers》）

例如，2002年美国科学家利用光镊技术对一系列微米量级的小颗粒进行了移动操作。科学家们将这些直径为0.99微米的硅胶小球进行了多种形状的排布，都轻松实现了设计的外观。只见小伙伴们一会儿排成直线，一会儿排成圆形，好不快活。
若是你以为光镊仅能排布一下小颗粒，那就大错特错了。由于光镊技术是一种非接触式的操控技术，不会对物体造成机械损伤，因此目前光镊技术已经广泛应用在细胞操纵领域。

（截图来自文献《Optical tweezers for single cells》）

科学家将细胞两侧分别粘上一粒石英微珠，直径4.9微米。其中左侧的石英珠被固定到玻璃上，相对另一侧的石英珠利用光镊控制住，然后两侧开始向外拉扯……图a是初始形态的示意图，圆滚滚的球形。图b就是拉扯后的示意图，都成了梭子了……图c中是实验中显微镜拍摄的照片，从0pN增大到29pN，再增大到67pN，最后到达109pN。看完这幅图，不禁想求细胞内心的阴影面积。
从刚才的实例也可以看出，目前光镊能够提供的力度还是非常小的。数学上1pN=10^-12N，高中时候我们学过，两个鸡蛋的重量约为1N，因此1pN差不多就是把两个鸡蛋平均分成一万亿份，取出其中一份的重量。再想想你有多少个鸡蛋重呢？
所以目前光镊主要用于操控微米量级的超小物体，对单细胞进行一下操作还是可以的，想要实现电影中把人牵引起来的状态，还任重而道远。
说完了“光镊”，再来说一说“光学扳手”。既然我们已经可以利用光把物体锁在固定的位置了，那么若是将光旋转起来，不就可以让物体也跟着旋转了吗？
这是个很简单但很可行的方法。因为科学家发现，的确有一种光束是旋转的，叫做“轨道角动量（Orbital Angular Momentum, OAM）光束”。轨道角动量是光子角动量的一种，携带轨道角动量的光束相位是螺旋形的：

（图片来自维基百科）

轨道角动量的取值学名叫做“拓扑荷值”，可以是任意的整数，这一点在光通信领域是个巨大的优势。实际上目前最为前沿的量子通信领域中，就利用到了包括轨道角动量纠缠在内的多种光子纠缠。
还是回到正题。轨道角动量光束的拓扑荷值越大，意味着光束旋转的越快。将这种光束聚焦后，在实现光镊效应的同时，还会使物体产生旋转的扭矩，就像有一个扳手在扳动物体一样。不过与光镊类似，光学扳手能够提供的力也是pN量级的，要想指望一束光把人给翻个跟头，还是只能在电影和小说中呢。
总之，光学中的很多现象与性质是非常神奇的，在科学家的努力下，“隔空移物”的魔法也正在一步步实现。