单词 | 为什么激光可以移动物体 |
释义 | 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”。 光帆 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。 光镊原理 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,那么微粒就受到两个方向的力: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,并向东方辐射出光子。那么,沿南北的力相互抵消,由东向西的力相互叠加,微粒就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。(林志方) |
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