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通往更加極端的光學(xué)之路：“用光制造的工具”獲諾貝爾獎(jiǎng)  亞瑟·阿什金（Arthur Ashkin）發(fā)明了光學(xué)鑷子，能通過(guò)激光束“手指”抓取顆粒、原子和分子。光學(xué)鑷子還能用于操縱病毒、細(xì)菌和其他活體細(xì)胞，并且在觀察和操縱過(guò)程中不造成損傷。阿什金的光學(xué)鑷子為觀察和控制生命的機(jī)械過(guò)程創(chuàng)造了全新的契機(jī)。 杰哈·莫羅（Gérard Mourou）和 多娜·斯崔克蘭（Donna Strickland）為人類研制有史以來(lái)波長(zhǎng)最短、能量最高的激光鋪平了道路。他們所開(kāi)創(chuàng)的技術(shù)開(kāi)啟了該領(lǐng)域科學(xué)研究的嶄新紀(jì)元，并在工業(yè)與醫(yī)藥領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如，每年都有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的眼科手術(shù)正是借助最鋒利的激光束完成的。  阿什金開(kāi)發(fā)了一種光學(xué)陷阱，后來(lái)該技術(shù)被稱為光學(xué)鑷子 1 微小的透明圓球被激光照射后開(kāi)始移動(dòng)。它們的速度與阿什金的理論估算相符，表明確實(shí)是輻射壓在推動(dòng)著它們。 2 一個(gè)令人意想不到的效應(yīng)是，輻射壓力具有梯度，會(huì)促使圓球向光束中央位置移動(dòng)，那里有著最高的光強(qiáng)度。這是因?yàn)楣鈴?qiáng)度會(huì)向外側(cè)逐漸減小，而推動(dòng)小球的所有力的總和將其推向光束中心。 3 阿什金將激光束的方向朝上，使圓球浮起。此時(shí)輻射壓抵消了重力。 4 激光束經(jīng)由透鏡實(shí)現(xiàn)聚焦。此時(shí)光線就可以用于捕獲粒子，甚至操縱活著的細(xì)菌和細(xì)胞，成為一把光學(xué)鑷子。  光學(xué)鑷子繪制出了驅(qū)動(dòng)蛋白沿著細(xì)胞骨架移動(dòng)的過(guò)程 1 驅(qū)動(dòng)蛋白分子連接到光學(xué)鑷子操縱的一個(gè)小圓球上。 2 驅(qū)動(dòng)蛋白沿著細(xì)胞骨架移動(dòng)。它拉動(dòng)了圓球，因此可以通過(guò)圓球測(cè)量其“行走”運(yùn)動(dòng)。 3 最終，驅(qū)動(dòng)蛋白無(wú)法承受光學(xué)陷阱的力，圓球回到了光束中心。 在光束中移動(dòng) 亞瑟·阿什金有一個(gè)夢(mèng)想：將光束作為工作時(shí)的工具，并用它推動(dòng)物體移動(dòng)。在20世紀(jì)60年代中期推出的系列美劇《星際迷航》中，有一種光束可以在不觸及物體——包括太空中的小行星——的情況下對(duì)其進(jìn)行牽引。當(dāng)然，這聽(tīng)起來(lái)就像純粹的科幻概念。我們能感覺(jué)到陽(yáng)光攜帶著能量，曬太陽(yáng)會(huì)讓我們感受到熱，但來(lái)自陽(yáng)光光束的壓力太小，我們沒(méi)有任何擠壓感。但是，這種壓力是否足以推動(dòng)極其微小的顆粒和原子呢？ 在1960年第一臺(tái)激光器發(fā)明之后，阿什金立即開(kāi)始在紐約郊外的貝爾實(shí)驗(yàn)室中試驗(yàn)這臺(tái)新設(shè)備。在激光中，光波會(huì)連續(xù)移動(dòng)，而不是像平常的白光那樣混雜了各種各樣的顏色，并向各個(gè)方向傳播。 阿什金意識(shí)到，激光可以作為一種完美的工具，利用光束來(lái)移動(dòng)微小粒子是可能的。他用激光照射微米級(jí)的透明小球，并很快就讓這些小球動(dòng)了起來(lái)。與此同時(shí)，阿什金驚訝地發(fā)現(xiàn)，這些小球被拉到了光束最為密集的中間位置。對(duì)此的解釋是，無(wú)論一束激光有多么銳利，它的強(qiáng)度也會(huì)從中間向兩側(cè)減小。因此，激光施加于粒子上的輻射壓也有差別，會(huì)迫使它們朝著光束中心的位置移動(dòng)并穩(wěn)定下來(lái)。 為了保持粒子位于光束的方向上，阿什金增加了一個(gè)聚焦激光的強(qiáng)透鏡。這些粒子因此被拉向光強(qiáng)度最高的位置。一個(gè)光學(xué)陷阱誕生了；后來(lái)，這種裝置被稱為光學(xué)鑷子。 光線捕獲的活細(xì)菌 經(jīng)過(guò)多年的努力和多次挫折之后，科學(xué)家終于能用這個(gè)光學(xué)陷阱捕獲單個(gè)原子。這一過(guò)程存在許多困難：一個(gè)是光學(xué)鑷子需要更強(qiáng)的力以抓取原子，另一個(gè)問(wèn)題是原子的熱振動(dòng)。有必要找到一種方法，使原子的運(yùn)動(dòng)減慢下來(lái)，并將它們放入一個(gè)比本句最后的句點(diǎn)還要小得多的區(qū)域內(nèi)。一切問(wèn)題都在1986年得到解決，光學(xué)鑷子與其他方法相結(jié)合，成功靜止并捕獲了原子。 |
