03.01 光能否用來移動或搬運物體?為什麼?

聞達布衣


西方著名科學家哲學家波普爾給科學下定義:科學就是證偽主義,凡是能證明是錯了的學問,才叫科學。

我們今天的認知,都來於以往的、不斷變換的科學知識。在人類的文明史中,我們曾經推翻過多少,當時認為是亙古不變的道理!例如:日心說取代地心說,相對論推翻萬有引力論。甚至於達爾文的《進化論》,在今天的一些哲人、科學家的眼中,也開始多多少少出現能夠證明的疑問。

迄今為止,我們無法有效用實證證明“光能否移動物體”,這並不能說明“光一定不能移動物體”。只是我們的思想文明及手段還不具備更高的發現。




行走到何方啊lll


有一個笑話描繪了一個情景:一個人在夜晚打開了手電筒,出現了一條光柱。一個人對另一個人說:“順著這根柱子爬上去”。另一個不爬,說:“我若是爬上去,你一關手電筒我就掉下來了。”

笑話歸笑話,若是較真一點,光柱還真的能夠托起或移動物體。因為光有粒子性,光子有動量,打到物體上會產生光壓,依靠光壓可以推動著物體運動。

還記得霍金生前那個雄心勃勃的夢想嗎?霍金要用光帆飛船探索4光年以外的半人馬座阿爾法星,霍金設想的就是用強大的激光將攜帶巨大光帆的袖珍飛船加速到光速的五分之一,這樣在人的生命年限裡就可以收到飛船發來的半人馬座阿爾法星的信息。霍金設想的飛行速度能夠達到光速五分之一的飛船還沒有研發出來,不過同樣原理的飛船已經進入過太空。

利用光壓除了可以設計製造光帆飛船,還有一種非常有效的工具也投入到使用中,那就是光鑷。常用的機械鑷子可以夾住細小的物體,在實驗中或維修中經常藉助機械鑷子進行一些基本的操作。當人的研究深入到只有幾十微米甚至幾十納米、幾個納米的大分子領域時,人們需要有一把更精巧的鑷子,光鑷就可以做到和機械鑷子具有相似的操控性,甚至還有其他方面的優勢。

光鑷可以對物體進行操控,並且這種操控是非接觸式的,不容易對被操作物體造成機械損傷。在單細胞單分子研究領域中,光鑷已發揮了非常大的優勢,可以切開細胞壁操作裡面的細胞器。甚至可以利用細胞膜的透明性,不用打開細胞膜也可以直接操作細胞器。

至於操作人這麼大的物體,或者把人放在光柱上從這個位置移到另一個位置,目前人類還沒有這種能力。不過這種設想並不違背已知的科學原理,或許以後會有這麼大功率的光鑷。


刁博


2018年諾貝爾物理學獎於北京時間10月2日17點50分正式揭曉,發明光鑷技術的美國物理學家,阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin),以及開創了啁啾脈衝放大技術的唐娜·斯特里克蘭(Donna Strickland)、 熱拉爾·穆魯(Gérard Mourou)共同分享了該獎項。值得一提的是,唐娜·斯特里克蘭是諾貝爾物理學獎歷史上第三位女性獲獎者。

斬獲諾獎的三位科學家肖像如下圖一

本次物理諾獎結果揭曉之後,各路觀察家都表示沒有想到,絕對堪稱"黑馬""大冷門",很多科研界人士甚至壓根沒聽說過這幾種技術。不過,在各自的專業領域,它們都已經是科學家們非常仰賴的工具了。

這兩項成果雖然都歸屬於激光研究領域,但彼此仍然有著較大的區別。其中的光鑷雖然內涵深奧,但其實稍加簡介就能讓普通人建立概念。今天,我們就先試著讓大家瞭解一下這個能夠以光的力量來操縱細胞的諾獎成就。

光鑷誕生的發想——光之力

伴隨著上世紀60年代以來激光束流相關的產生、控制技術的進展,利用光來操作微小物體的"光鑷"隨之登上了歷史舞臺。阿瑟·阿什金教授曾在貝爾實驗室和朗訊科技公司任職,他很早就開始進行光操控微粒的研究工作,並最終於1986年公開了他的第一代光鑷。

光鑷利用了"光的力"(Photon force/ radiation pressure,可以譯為光壓、輻射壓等等),這是普通民眾並不熟悉的領域。我們已經知道光可以協助動物產生視覺,可以為植物提供能量來源,可以加熱物體。如今,在光的力學領域也誕生了令世界矚目的成果。

中學物理中,我們已經瞭解了光同時具有波和粒子的雙重性質,所謂波粒二象性。與人體被飛來的棒球擊中後產生衝擊一樣,光的粒子即光子在接觸物體後,同樣會對該物體施加力的作用。

當然,我們沒有被強烈的日光或者探照燈擊倒在地是有原因的,光的壓力大概僅僅在10億分之一到100億分之一牛這個數量級,所以說能用肉身感受到光壓的人顯然是不存在的。

然而,越是微小的物體,就越容易被微小的力所撼動。例如,紅血球、細菌一類人體細胞或者微生物等等都對光壓非常敏感。來自光的微小壓力可以讓微小的物體在不受到積壓破壞的前提下進行移動。

光鑷是如何讓光操控微粒成為可能的

具體來說,光鑷系統一般由照明光路和控制光路構成,照明光路負責採集成像所需的信號,而控制光路用來控制和限制微小物體的運動。控制光路的核心是匯聚性能特別好的激光束髮射系統。

光鑷系統示意圖,紅色代表控制光路,藍色代表照明光路,操縱室位於中間,最右側代表位置測量裝置,如圖二。

我們知道激光的特性之一就是可以被匯聚到一個十分微小的光斑上,這是普通光源所無法實現的。對於所要操控的微小物體來說,這種激光束匯聚形成的強聚焦光斑會形成一個類似"陷阱"的機構(稱為三維光學勢阱),微粒將會被束縛在其中。

一旦微粒偏離這個"陷阱"中的能量最低點(即位置的穩定點),就會受到指向穩定點的恢復力作用,好像掉進了一個無法擺脫的"陷阱"一般。如果移動聚焦光斑,微粒也會隨之移動,因此便能實現對微粒的捕獲和操控。

激光匯聚在束流最細處(稱為"光腰"),微粒將在此處被俘獲於三維光學勢阱,如圖三。

光鑷技術——大顯神通

光鑷技術在生物學研究領域已經有了相當廣泛的應用,例如將不同細胞擠壓在一起,或者向細胞中注入微量物質或者微小物體一類場合,都是光鑷大顯身手的時機。又如在環境科學領域,經常會有區分水中數種微小物體的需求,利用光鑷可以將各種物質在無損條件下容易地分離,給之後的精密分析創造良好的條件。

此外,在操控的同時,鑑於激光波長良好的穩定性和高精度,光鑷還可以同時獲得大量空間測量數據。有研究人員利用光鑷測量了驅動蛋白在微管上行走的距離數據,從而推算出驅動蛋白每走一步的能量正好相當於一個ATP水解所釋放的能量,堪稱光鑷操控性和測量性結合的絕好案例。

驅動蛋白在細胞支架上搬運囊泡的示意圖

相信對於絕大多數人來說,光鑷都是一個相當陌生的概念。光鑷技術所代表的一系列微操控技術,的的確確為人類在諸多領域帶來了極為便利的工具。此番斬獲諾獎,雖然出乎大多預測所料,確也名副其實。相信隨著諾貝爾獎的頒發,光鑷技術必然會在世界範圍內掀起一股科普風潮。






北方有佳人zt


光可以用來搬運物體,這就是2018年諾貝爾物理學獎的內容。

這種用光來移動物體的叫做光鑷技術。我們都知道光是具有動量的。當光經過介質的時候,會發生折射現象。光鑷技術就是利用光的折射過程中所蘊含的動量守恆來促使物體運動的,具體原理如下。

如上圖左圖所示,紅色表示入射光,經過折射後射出,深藍色表示出射光(這是矢量,所以把起點移到一起了),折射後光的動量發生改變了。根據矢量三角形,那麼光的動量的改變值就是藍色箭頭所示。

我們再看上圖右邊的圖,光束經過一個小物體,然後發生折射。根據上面的分析,光束動量會有一個改變。這個過程中,只有光束和小物體相互作用。根據動量守恆原理,光和小物體所組成的系統動量應該守恆。光束的動量改變了,那麼小物體的動量必須改變,並且大小相等,方向相反。光受到的動量改變是左邊的藍色箭頭所示,那麼小物體動量的改變必然是與之相反。即小物體有一個向右的動量。所以小物體會受到一個向右的力,力的方向是綠色箭頭,所以小物體會有輕微的向右運動。

同理,在上圖右圖中,如果光束是從小物體的左半邊入射進來的,光束會向右折射。於是一樣的分析,小物體會輕微的向左運動。

仔細觀察上圖右圖中,我們之前分析到小物體會受到一個綠色箭頭方向的力,這個力不僅是向右,還有一點輕微向下。如果我們在小物體的左右兩邊各打上一束光。左邊這束光會向左,同時也有一點輕微向下。左右兩束光共同作用,時物體向左向右的力會抵消。只留下小物體向下運動的效果。

以上是兩束光打過來的效果,小物體讓光束匯聚,所形成的效果。如果我們用一束光,在小物體的作用下發散,根據上面的矢量分析,我們發現可以實現小物體向上運動,具體不表,有興趣的朋友可以自己分析。

以上是具體分析,如果我們總結一下,我們會發現,光束會形成一個焦點,小物體會始終向光束焦點處運動。所以我們就實現了利用光束把小物體往各個方向移動的目的。


物理史話


一般情況下,是不能做到的.光由許多光子組成,在熒光(普通的太陽光、燈光、燭光等)中,光子與光子之間,毫無關聯,即波長不一樣、相位不一樣,偏振方向不一樣、傳播方向不一樣,就象是一支無組織、無紀律的光子部隊,各光子都是散兵遊勇,不能做到行動一致.


探索者Explorer


一天晚上,精神病院,一人打開手電筒,出現了一道光,他對另一人說:“順著這根柱子爬上去”。另一個說:“不爬。如果爬到一半,你一關手電筒,我不就掉下來摔死了。” 由此可見,光是可以實質化的。


laughing66


光能否用來移動或搬運物體?為什麼?

我是羅輯說,我來回答。

光是不能移動或者搬運物體的。因為牛頓第二運動定律,學過物理的同學都知道力是不可以脫離質量單獨存在的。牛頓第二定律的表達式為F=ma,且我們都知道光是沒有質量的,沒有質量就是,通過表達式就可以得出力為零,沒有力,就不會做功,也無法移動或者搬動物體。


羅輯說


能:,因為光帶電,導電流,帶走人生。創新生命?我的天啊,這是世界!



1870798


可以,只要能量達到了就可以


虎牙奧迪


肯定能,用光電效應光轉電,電通過電機就能做功了


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