贏得諾獎的光鑷技術，能否使科幻中的「光束傳物」成為現實？

天下 10-10

今年諾貝爾物理學獎得主研發的「光鑷」技術，可以用激光束來移動分子等微小物體。但是，科學家們表示，目前這種技術絕對無法實現科幻電影中的「光束傳物」。

供圖：Shutterstock網站的「帕維爾.L（Pavel L）圖像視頻」用戶

來源 | AIP Inside Science

作者 | Ramin Skibba

在20世紀70年代，美國物理學家亞瑟.阿什金（Arthur Ashkin）在貝爾實驗室發現了如何用聚焦激光束來抬起、移動和斥離微粒與病毒等微小物體。那麼，這一方法能否擴展到更大的尺度，來操縱和移動大型的航天器？比如，用這種技術來引導空間站對接，或是防止空間碰撞事故？

阿什金髮明的技術，現在被稱為「光鑷（optical tweezers）」，可以用它在液體中捕獲一個比紅細胞更小的微小物體。這種技術中，研究人員可以利用光子流來施加壓力，通過改變物體的動量來移動物體。

但是，據斯坦福大學的應用物理學家和生物物理學家史蒂文.布洛克(Steven Block)說，如果想用這種技術來移動大型物體，「需要難以置信的超高激光功率，才能產生足夠可觀的力量。」

根據經典的電磁學理論，激光施加在物體上的力等於光的功率除以光速。這就意味著，一支普通激光筆產生的力會小於十億分之一磅，這近似於一個細胞的重量。想用光束牽引一個大物體，至少需要其數萬億倍的壓力。

圖註：利用光鑷技術，科學家們可以精準地控制並移動細胞或生物大分子。

第二個問題則來自激光對物體的加熱作用，因為沒有任何東西可以在不吸收熱量的情況下，讓光毫無阻礙地通過（即，絕對透明是不存在的）。在被輻射時，一個球體所獲得的熱量與其體積成正比(即正比於半徑的立方)，而它能散發的熱量則與它的表面積成正比(即正比於半徑的平方)。當你嘗試用激光來牽引任何比細胞更大的東西時，儘管可以靠周圍的液體來幫助它散熱，但熱量的吸收還是會很快超過散失的速度，這會讓物體的溫度迅速升高。如果你想用這種力量來牽引一艘小型潛艇，其產生的熱量沒有任何材料可以承受。

布洛克說：「這種技術沒有發展成大型牽引光束的原因是，當我們面對越來越大的物體時，激光首先會將其加熱，然後烤焦，最後使其汽化。」

在研究生物系統時，布洛克和其他科學家會用微小的球體附著在大分子上，作為移動它們的手柄。這樣，激光就能在這些球體上施加力量來移動生物大分子，比如DNA和RNA。

聖地亞哥大學(University Of San Diego)的物理學家雷.羅伯遜.安德森(Rae Robertson Anderson)說：「你可以想像，用一種甜甜圈形狀的激光，或是用其他模式將激光束排列起來，就有可能捕獲更大的物體。」她表示，這種方法實際上是將激光分散在多個較小的區域來抓取物體，從而減少過熱的問題。人們已經可以利用計算機生成的3D全息投射來製造光鑷，但它能移動的物體尺寸仍然不超過1毫米。

對於宇宙飛船和潛艇來說，想解決能量和過熱之間的矛盾似乎是非常困難的。當然，在《星際迷航》的故事中，「光束傳物」的情節是在幾個世紀後才出現的。也許未來的諾貝爾獎得主可以設想出更強大的技術，但現在，它們只能存在於科幻小說中。