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07 探索光学前沿 Lighting the Frontiers（第1页）

07探索光学前沿Lightiiers

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。

图31　一种由光的机械力控制的纳米级悬梁臂。图中的圆盘是直径约为30微米的微小镜面

光的机械力可以用来发现微小物体运动的全新状态。如图31所示的微型机械悬臂，其悬臂的运动就可以用光进行观察和控制。这种光力可以用来加热或者冷却悬臂的振动——就好像为机械手表的弹簧上弦或者放松一样——最终尽可能使其达到最安静静止的状态，只有运动的量子涨落才能干扰到这种完全静止的状态。光力也可以用来冷却比机械悬臂小得多的原子，并揭示出物质更奇特的量子态。

超冷

你体验过的最冷温度是多少？比冬天的牛津（大约2℃）、渥太华（-20℃）或南极（-50℃）还要冷吗？或许是液氮的温度（-200℃）？这些当然都很冷，但绝不是最冷的情况。研究发现，温度有一个最低极限，-273℃或者0开尔文（单位：K）。我们将其称为“绝对零度”，没有比这个温度再低的了。要达到这个温度需要物体保持绝对静止，此时，物体只受到量子力学的影响，使得其原子和分子产生轻微的抖动。

事实上，制造一台能达到绝对零度的机器是不可能的，但是使用“光学冰箱”可以达到非常接近绝对零度的温度的程度。当温度降低到一定程度时，原子几乎停止运动，这意味着原子的尺寸变大了（量子力学告诉我们，不能同时确定物体的精确位置和速度。如果原子完全停止运动，就意味着它必须向整个空间扩展）。因此，所有冷却的原子占据了空间中相同的区域，从而产生了一些非常奇特的新现象。

光学冰箱的工作原理是利用激光来“冷却”原子。想象有一束激光照射在一个从左向右移动的原子上，由于激光从右向左照射，所以会有一束光子直接撞击到原子上。为了使这些光子可以被原子吸收，激光根据原子运动的速度，被调节到某个特定频率。当原子从激光中吸收了一个光子时，就好像被光子当面“踢”了一下，从而降低了运动速度（更确切地说，光子的动量转移到了原子上。由于两者的初始动量方向相反，所以原子的动量减小，因此速度降低）。在之后的某个时刻原子必须重新发射光子，并且会受到与发射光子方向相反的力。但是由于原子发射光子的方向是随机的，这就意味着原子受力的方向也是随机的，因此原子可以向任意方向运动。

当你观察了足够多的吸收-散射过程，你就会发现，尽管光总是从同一个方向（激光束的入射方向）被吸收，但是原子却向各个方向发射光子，而不会偏向某个方向。这个现象导致的结果是，在与入射激光束相反方向运动的一组原子会慢慢停止运动，此后开始向各个方向随机运动。这样的随机运动对应着某一温度，这一温度与原子吸收光子到重新发射出去的时长成正比。

在这个方法的基础上有几个改良版本，每一种版本方法都是利用光将原子（和分子）冷却到更低的温度。在这种情况下，光就像一种“黏性流体”，其中的原子运动得越来越慢。一旦原子的速度降低到一定程度，甚至可以用光学镊子来捕获原子。此时就可以应用更加复杂的光学冷却技术，使温度降低到仅比绝对零度高十亿分之一摄氏度。

我之前提到，即使在绝对零度下原子依然会有“抖动”，这种抖动是量子力学引起的。可以将这种抖动的区域看作原子本身的空间区域。也就是说，根据量子力学，原子不仅以随机的方式在一个狭小的空间区域内游**，还存在于整个空间区域内。对于被困在如此低温下的原子而言，该区域的大小可能是千分之一米。不过考虑到电子到原子核的距离只有十亿分之一米，那么这个原子所占的空间可以说是相当大了。更奇怪的是，几个原子可以同时占据这个同一空间区域。

这个概念是非常违反直觉的。我们常常认为原子就像一个个小小的台球，可以紧密地堆积在一起，就像组成固体材料中的元件结构一样。但是同时，由于原子在材料中位置不同，它们各自又保持着其独特的特性。但对于这些超低温的原子就不一样了，它们可以同时存在于任何地方，这是一种新的物质状态。这种状态由爱因斯坦和印度科学家萨特廷德拉·纳特·玻色[2]（SatyendraNathBose）发现，被称为玻色-爱因斯坦凝聚态（Bose-Einsteie）。

这种奇特的状态有一些显著的特性。例如，原子云[3]就是一种超流体[4]，在流动时没有黏性。此外，原子云可以被一分为二然后再重组在一起，从而使这两个被分离的原子云表现出量子干涉效应。这从本质上展示了一个大物体（包含许多原子，使其大小可见）所具有的量子特性。这种量子特性可以归因于每一个特定原子的不确定性——不确定它处于这一半还是另一半原子云中。我们必须考虑每个原子其实同时存在于这两个原子云中。

由于这些冷原子可以被光束束缚，所以也可以用几束光束创造出某种空间结构用来操纵原子。例如，当两个光束相遇时，会形成一个干涉图样（见第3章），在干涉图样中有些区域强度高，有些区域强度低。冷原子们要不就都停留在强度高的区域，要不都停留在强度低的区域（可以通过选择特定波长的光来调整原子所在的区域）。随着光束强度的增大，原子会落入干涉图样中出现的“鸡蛋托盒”状的光陷阱中（见图32a）。它们落入的方式也很有趣。

图32　被光束缚在光学晶格[5]中的冷原子：a。光学晶格中个晶胞束缚有几百个原子（温度为几十微开尔文）；b。一些分布在各个“格子”中的单个原子（温度为纳开尔文）。

当原子足够冷时，它们并不喜欢待在鸡蛋托盒内的同一个“格子”里，因此最终原子的分布特别像一个完整的鸡蛋托盒——一个原子待在一个格子里，如图32b所示。这种情况下不存在超流体，因为原子们喜欢待在原地。事实上，这更像是一个“绝缘体”，因为所有的原子都没有动。通过调节光的强度，可以探究原子从完全自由流动到完全不流动的有趣过渡。

在量子力学的环境中实现对原子的控制，这使得科学家们能够探究与其他类型的材料（例如固态金属氧化物）相关的物质的新特性。尽管在这些材料上，我们很难实现同等精确度的控制和测量。现在我们可以观察到，冷原子气体[6]位于“鸡蛋托盒”中的单个原子，并观察当周围环境发生变化时它们会有怎样的反应。

我们可以用许多不同类型的原子来探究这种低温状态，并且利用光来构造复杂的俘获结构。当前的一个研究领域是利用冷原子来“模拟”其他量子系统。利用这种方法可以研究其他方法无法解决的复杂问题，促进我们对材料和结构产生新的理解，从而产生新的影响。这也许可以帮助我们理解甚至是设计出新的磁铁，可用于计算机数据存储、医疗的核磁共振成像设备，甚至用于悬浮列车的无摩擦发动机。

超快

光脉冲可以非常短。在第5章中，我说过它们可以和光学场的单个周期一样短。光谱中的可见光，其光脉冲大约会持续2飞秒。对于波长较短、频率较高的极紫外（extremeultraviolet，缩写为EUV）区，其光脉冲持续的时间更短。目前测量到的最短光脉冲的持续时间小于100阿秒（10-18秒）。这些脉冲是目前可以受控产生的最短脉冲（尽管我们可以通过粒子对撞机观察到发生在更短时间尺度上的事件）。随着在X射线波段中出现了光的爆发，我们甚至可以期待产生持续时间更短的光脉冲。