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为什么激光可以移动物体?

光实际上是人类肉眼可以觉察到的一种电磁波,具有波的一切特性。同时,光也具有粒子性,可看成由一种被称为光子的粒子构成。这就是所谓波粒二象性。

无论从波的角度还是从粒子的角度理解,光都带有动量。因此当光照射到物体上时,就将动量传给物体,从而对物体施加一定的压力,称为光压或辐射压。通俗地讲,正如一些细沙粒打到人身上,人也能感受到压力一样。辐射压最早由英国物理学家麦克斯韦于1871年在理论上推导出,1901年得到实验验证。辐射压力很小,在日常生活中不易被察觉到。例如,垂直照射在金属表面上的太阳光,施加给表面的压强很小,大约相当于将1千克的物体均匀地平摊在1平方千米地面上的压强。然而,即使如此之小的压强,也能“物尽其用”。一是用作太空中的“光帆”,推动太空飞行器;一是利用强激光推动微粒,使之远离光源辐射压力是人们对光移动物体的最早认识——光可以“推”。

20世纪70年代,科学家还发现,用强度不均匀的激光束照射微粒(尺寸在纳米量级),微粒就会被吸引到光最强的地方,并被陷在光最强的位置附近。操纵激光束,即可移动微粒,这就是“光镊”——光像一把“镊子”似的移动微粒

“光镊”的原理在于微粒在不均匀光强中感受到的“梯度力”。光镊是人们对光移动物体的又一认识——光可以“抓”,它依赖于光强的不均匀性。

进入21世纪,科学家们进一步发现,用沿传播方向光强均匀的激光光束照射微粒微粒居然也可以逆着光传播方向运动,被光拉向光源。这就是说,光在移动物体的作用上,不仅可以“推”,可以“抓”,甚至还可以“拉”!

这个现象似乎违背人们多年来的直觉。因为人们一直认为,当微粒受到光强均匀的光束照射时,由于辐射压力的作用,微粒会被“推离”光源。那么,用光把微粒“拉”向光源的原理是什么呢?

如前所述,光由光子组成。如果微粒受到来自北面的光子的撞击,微粒当然会被往南推。但光子并未被微粒所吸收,微粒还会把光子辐射出去,就整体效果而言,微粒仅仅改变了光子的运动方向。假如微粒吸收来自北面的光子,并向东将光子辐射出去,那么微粒受到两个方向的力:一是由北向南,源自吸收了光子;一是由东向西,源自辐射光子受到的反弹。如果微粒同时吸收分别来自北方和南方的光子,并向东方辐射光子。那么,沿南北的力相互抵消,由东向西的力相互叠加,微粒受到一个由东向西的力。基于这个基本原理,科学家选择了某些特殊光束,并适当调节微粒的光学特性和几何尺寸,使得处于光束中的微粒,等价于同时接收到来自北偏西和南偏西的光子,并将大部分光子向东辐射出去。这样,尽管光束由西向东传播,微粒却能受到由东向西的反冲力。

目前,科学家还只能将尺寸与入射光波长相当的微粒“拉”向光源,要把大物体“拉”向光源还有很大的困难。