【編者按】本文作者看風景的蝸牛君，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《銀河系漫游指南》。這部電影的開頭，是一個關(guān)于強拆的故事。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。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么好的科幻電影，《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(nèi)，要來毀滅我們的文明。

可以看出，利用光來實現(xiàn)“隔空移物”是許多科幻編劇共同的腦洞。

其實，關(guān)于此類幻想，自古以來就沒斷過。尤其是上世紀我國興起氣功熱之后，關(guān)于氣功大師能夠隔空移物的報道就絡(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”移動物體。后來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，有的壓根就是玩的障眼法。看著他們一本正經(jīng)地胡說八道，真是有種既好笑又可憐的復雜情緒。

不過，古代的很多幻想，隨著科技的發(fā)展逐漸成為了現(xiàn)實。例如，“點石成金”之術(shù)以前被認為是神仙法術(shù)，現(xiàn)在我們知道，這本質(zhì)上就是元素的變化，屬于核物理學范疇，或許可以通過高能物理改變原子核構(gòu)造來實現(xiàn)。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(xiàn)“隔空移物”之術(shù)，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(zhì)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。所以不少科幻小說中會構(gòu)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(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(jié)論就可以了）：

以一束聚焦光束為例。圖中光聚焦后，焦點后有一個透明的小球，折射率大于周圍環(huán)境的折射率，因此圓錐形光束通過小球后，會向內(nèi)產(chǎn)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(chǎn)生了向內(nèi)側(cè)的偏折，光自然會對小球產(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(jié)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(xiàn)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(jié)論其實恰恰是符合日常的力學規(guī)律的。實際上光鑷效應所需要的是一束高斯分布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(xiàn)讓這個問題得到了解決，使得光鑷技術(shù)正式成為了一項實用化的微操控技術(shù)。

（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(shù)對一系列微米量級的小顆粒進行了移動操作?？茖W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，都輕松實現(xiàn)了設(shè)計的外觀。只見小伙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。由于光鑷技術(shù)是一種非接觸式的操控技術(shù)，不會對物體造成機械損傷，因此目前光鑷技術(shù)已經(jīng)廣泛應用在細胞操縱領(lǐng)域。

（截圖來自文獻《Optical tweezers for single cells》）

科學家將細胞兩側(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中是實驗中顯微鏡拍攝的照片，從0pN增大到29pN，再增大到67pN，最后到達109pN?？赐赀@幅圖，不禁想求細胞內(nèi)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(shù)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于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(xiàn)電影中把人牽引起來的狀態(tài)，還任重而道遠。

說完了“光鑷”，再來說一說“光學扳手”。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，不就可以讓物體也跟著旋轉(zhuǎn)了嗎？

這是個很簡單但很可行的方法。因為科學家發(fā)現(xiàn)，的確有一種光束是旋轉(zhuǎn)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(shù)，這一點在光通信領(lǐng)域是個巨大的優(yōu)勢。實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量糾纏在內(nèi)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，意味著光束旋轉(zhuǎn)的越快。將這種光束聚焦后，在實現(xiàn)光鑷效應的同時，還會使物體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)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，還是只能在電影和小說中呢。

 總之，光學中的很多現(xiàn)象與性質(zhì)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(xiàn)。

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