光的力量 一種新型“牽引光線(xiàn)”提案將會(huì)駕馭光能

牽引光線(xiàn)是科幻作品中的重要角色，現(xiàn)在它卻越來(lái)越接近現(xiàn)實(shí)。今年初春發(fā)表的一篇文章中，物理學(xué)家設(shè)計(jì)了一種可以用光拉動(dòng)物體的裝置。

一般情況下，光線(xiàn)只能推動(dòng)物體，盡管力量很微弱。在光學(xué)操控的領(lǐng)域中，光學(xué)鑷子可以應(yīng)用這種推力移動(dòng)微觀(guān)物體，小至原子大至細(xì)菌。同樣的，光線(xiàn)牽引的能力也可以提高光學(xué)操控的準(zhǔn)度和廣度。飛行器工程師們也已經(jīng)設(shè)計(jì)出各種宇宙飛行帆，用以捕捉光所產(chǎn)生的力。

新設(shè)計(jì)的牽引光線(xiàn)將被更多地應(yīng)用在生物或醫(yī)藥中，而不是用來(lái)拖動(dòng)宇宙飛船。“如果你想將一件物品拉向自己，你必須減小物體面向你的方向上的壓強(qiáng)，”以色列技術(shù)工程學(xué)院的物理學(xué)家莫迪凱·塞格夫說(shuō)道。他在4月份《光學(xué)快遞》(Optics Express)刊登的文章中描述了他的研究小組的設(shè)想。“需要?jiǎng)?chuàng)造出一點(diǎn)真空以減小壓強(qiáng)，”他補(bǔ)充道。問(wèn)題是在對(duì)環(huán)境非常敏感的醫(yī)藥操作中，比如肺部手術(shù)，絕對(duì)不能改變壓強(qiáng)或充入任何新氣體。“那么，光線(xiàn)將成為抽吸的裝置，”他說(shuō)，“這樣壓力不會(huì)有任何改變而只有光存在。”

早期對(duì)于“牽引光線(xiàn)”的研究通常集中在創(chuàng)建新的引力場(chǎng)來(lái)拖曳物體、加熱空氣從而產(chǎn)生壓力差，或是向物體引入電量或是磁性，這樣它們就可以沿著入射激光逆向移動(dòng)。

最新的提案利用了一種被稱(chēng)之為負(fù)輻射壓的現(xiàn)象。俄國(guó)物理學(xué)家維克托·維斯拉格在1967年發(fā)表的文章中討論了具有負(fù)折射率的材料，并首先建立了負(fù)輻射壓的理論模型。折射率的數(shù)值描述了光線(xiàn)在通過(guò)玻璃透鏡或其他介質(zhì)時(shí)被彎曲的程度。而這篇文章發(fā)表后，大家并不相信物質(zhì)會(huì)出現(xiàn)負(fù)折射率。但在過(guò)去的幾十年里，幾組研究人員都證實(shí)了負(fù)折射率可以出現(xiàn)在一種被稱(chēng)作超常介質(zhì)的特殊人造材料中。這一發(fā)現(xiàn)也導(dǎo)致了半隱形斗篷和無(wú)變形現(xiàn)象的“超級(jí)”透鏡的發(fā)明。

負(fù)輻射壓的原理依賴(lài)于光波的兩個(gè)特性：它的群速度和相速度。一束光波由一組組小波構(gòu)成；群速度矢量是波群整體的移動(dòng)速率與方向，相速度矢量代表某個(gè)構(gòu)成光波的小波上的一點(diǎn)的相位改變速率與方向。光波的電磁能沿著群速度的方向輻射傳播，而波對(duì)粒子產(chǎn)生的影響則是順著相速度的方向。如果這兩種速度的傳播方向有相反的分量時(shí)，就可以產(chǎn)生負(fù)輻射壓。

但大部分超常介質(zhì)是固體，并且擴(kuò)大粒子之間的間隙會(huì)消除負(fù)輻射壓。這些對(duì)通過(guò)負(fù)輻射壓移動(dòng)粒子的設(shè)想產(chǎn)生了阻礙。不僅如此，所有現(xiàn)有的超常介質(zhì)都包含金屬，它們會(huì)吸收電磁能，從而使作用在粒子上的牽引效應(yīng)幾乎為零。