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07 探索光学前沿 Lighting the Frontiers（第1页）

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光学有着悠久的历史，尽管它可能是自然哲学和科学中一直持续发展的最古老分支，时至今日，它仍然处在研究和应用的前沿。

光学无处不在：它不仅可以作为检测、成像和通信的工具，也提供了探索、发现和解释新的基本效应的方法。

利用光可以创造出一些物理学上的极端条件，例如自然界中不存在的极端温度、极端压力和应力。

这些极端条件或许也存在于最遥远的恒星中。

光还可以用来观察甚至控制发生得极快的事件，例如发生在原子内部的电子运动。

此外，光还可以展示出量子世界的奇特特征。

它揭示出，即使在日常条件下，这个非连续的世界中存在着许多与直觉相违背的方面。

而这个非连续的世界却构成了我们日常经验中稳定可靠世界的基础。

在这一章中，我将探索一些由光引领的前沿领域。

之所以能够研究这些领域，是由于在光源、光学系统和探测器方面取得的巨大科技进步，使我们能够在空间和时间上精确控制光束的形状和强度。

光力学

光能够对物体施加作用力，这使得我们可以利用成形光束对小块材料进行“远程控制”

。

光可以用来移动物质，使其与其他物体接触，或者用来操控分子和原子的内部结构，迫使它们发生简单的化学反应，从而可以研究和开发具有特殊性质的材料。

光的这种功能在很多研究领域都非常有用。

光之所以能够产生机械力，是因为光的每个光子都携带动量。

例如，当光子从平面镜反射回来时，平面镜会受到一种力，这种力帮助光子改变了运动方向。

这就像是消防水龙带中的水撞击墙面，在反弹回来时向墙面施加力一样。

类似地，当光子发生折射时，它的运动方向会发生改变，这也需要力的帮助。

所以光子会对折射元件施加力。

如果一束光入射到玻璃珠上，其中与玻璃珠几乎相切的光线的方向改变最大。

当光线透穿过玻璃珠表面时，穿过玻璃珠下半部分的光子会向上运动。

因此玻璃珠会受到一个反方向的力。

随着光子的运动方向改变，光子在前进方向上（遇到玻璃珠之前的运动方向）的动量减小了，这说明光子对玻璃珠在前进方向上也有一个净力。

这个力的强度取决于玻璃珠每秒折射的光子数。

最终，如果这个光束中心的强度强于光束外围，那么玻璃珠就会被推向光束强度较高的部分，就好像光束将玻璃珠“捕获”

了一样。

这个效应可以将聚焦的光束变成一个“光学镊子”

。

光学镊子能够抓住微小的物体，并且通过操控光束方向来控制物体的移动。

光学镊子可应用于生物学，例如，它可以操控单个DNA链的位置和运动，还可以用来研究小分子马达[1]的特征。

具体来说，DNA、蛋白质和其他重要的生物分子都可以附着在这些玻璃珠的表面，因而光学镊子可以依照上述原理对它们进行操控。

光学镊子可以在比光的波长还要小的精度上控制这些分子的位置，从而能够测量极小的力——例如生物细胞附着在表面或者其他细胞上的力，也可以在使用激光处理细胞（“细胞手术”

）时，用光学镊子将细胞精确地固定在适当位置。

除此之外，光学镊子还可以和其他的测试方法综合应用，例如和气溶胶的光散射或者光谱学相结合，可以用来发现可能造成大气污染的颗粒。