光学界 2022-05-15 00:06 Posted on 北京
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，但是时至今日，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也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。当光线穿透玻璃珠表面时，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。
光的机械力可以用来发现微小物体运动的全新状态。如微型机械悬臂，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的静止状态，只有运动量子的涨落才能干扰这种完全静止状态。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。
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”，也只可以达到非常接近绝对零度的温度。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和散射过程，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，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荡，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同一空间区域。
这个概念与我们的直觉相悖。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；同时，由于原子在材料中的位置不同，它们各自又保持着独特的特性。但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](Satyendra Nath Bose)发现，被称为玻色-爱因斯坦凝聚态(Bose-Einstein condensate)。
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来操纵原子。例如，当两个光束相遇时，会形成一个干涉图，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，要不就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。它们落入的方式也很有趣。
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。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。
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(extreme ultraviolet，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射线波段中出现的光的爆发，我们甚至可以期待产生持续时间更短的光脉冲。
这些数字简直小得让人难以置信，因此有必要选取一些参照物来帮助我们理解。宇宙的年龄是5×1017秒，因此1秒和宇宙年龄的比值大约等于1阿秒和1秒的比值。或者从经济学的角度来看，如果美国的国债总量相当于1秒钟，那么1飞秒就相当于1美分。在这个尺度上，1阿秒几乎是没价值的。
在这个时间尺度上能发生什么事情呢？在第4章中我介绍了一个简单的原子模型，叫做玻尔模型。在这个模型中，电子受到电力的吸引而“环绕”原子核运动，就像行星受到万有引力的牵引绕太阳运动一样。对于简单原子(只有几个电子的原子)而言，电子绕轨道运行一周所需的时间约为150阿秒。如果我们想观察电子的运动，需要使用比150阿秒更短的光脉冲，才能使图像不致模糊。
频闪仪是与该话题最相关的一个设备。目前，研究人员已经使用了一种频闪仪的变体来观察原子和分子在基本微观层面上发生的迅速变化。在此应用中，一束激光的光脉冲被分为两个(或更多)部分，并在这两个部分之间引入一个延迟。其中，第一个脉冲先发射并照亮样品，其中一部分被样品吸收了。这“触发”了系统中的一些变化——电子在原子内部运动，或者化学键在分子或固体中振动。接着，第二个脉冲发射过去，其中一部分经由样品散射，而后被探测到。
重复进行该实验时，随着两个脉冲之间延迟时间的增加，探测到的散射光可以反映出样品的动态变化。从某种意义上来说，这是原子、分子或者固体变化的“电影”。这种“泵浦[7]探针”的方法已经被用来研究一些复杂的过程，例如在化学反应中，当两个分子通过它们之间的相互作用而被重构时发生了什么。这种方法还有一个更复杂的版本，就是利用不止两个，而是多个光脉冲。这些方法现在被用来研究许多极其有趣却令人费解的内容，从相互作用的原子、高温超导体到生物系统，等等。
我已经说过光学场的单一个周期是脉冲所能持续最短的时间。而我们可以利用由高次谐波产生的极紫外(EUV)脉冲，设计实验来测量光电场的振荡。测量脉冲场需要非常快，要比光周期快得多。我们可以利用波长更短的脉冲，它只有光学波长的二三十分之一。当一个电子被一个强光脉冲从原子上剥离时，就会产生这种波长非常短的脉冲。这个过程需要一个光学场，其强度相当于电子与原子核之间的结合力大小。这种脉冲很容易通过在锁模激光器的输出端增加一个光放大器来获得。
当电子被强烈的脉冲从原子上剥离出来后，电子会处在一个快速振荡的电场之中。如果电子是在电场振幅为零时被剥离的，它就可以顺着光学波的下一个周期做“冲浪”运动——短暂地远离原子，然后再回来。当它返回时，速度会非常快，并且可以通过光的形式释放所有额外的能量，从而被原子重新捕获。在这种情况下，原子和电子重新结合时，会释放出非常短的脉冲。这个脉冲的波长只有几百亿分之一米，位于光谱的EUV区域，大约是产生它的光波波长的1/20。
现在想象这个EUV脉冲发射到另一个原子上。它的波长非常短，足以被原子吸收，并击出一个电子停留在原子周围。进一步设想，在同一时刻将待测量的短光脉冲也发射到这个原子上。这个脉冲的场将使停留的电子向某个方向加速，这一方向取决于电子被EUV脉冲从原子上剥离时，所处的光学波周期位置。通过改变EUV脉冲和光脉冲之间的延迟，就可以测量电子的加速度。由于速度较大的电子有更多的能量，这使我们可以“看到”光脉冲场，尽管该场振荡的时间非常短。
这种泵浦探针光谱法可以应用在生物化学的研究中，例如研究光合作用的第一步反应，即植物利用阳光的能量，将空气中的二氧化碳转化为氧气。这一步需要以极高的效率在一个大的生物分子周围传输能量。该过程包含有一些非常有趣却不能被解释的特性——其能量的传输比人们预期的要快得多，效率也要高得多。如果我们能从这种在自然界中进化了上亿年的系统中，学习如何快速高效地传输能量，或许我们就能够应用这些知识改进诸如太阳能电池的设计之类，这将给社会带来极大的影响。
电费账单告诉你上个月用了多少电。它以千瓦时为计量单位，你消费的每一度电都要付费。假设你在某个月使用了220千瓦时(这是英国每月的人均能耗)：你可以在这个月的四周内平均使用这些电，或者你也可以在第一周用光它，并在接下来的三周什么都不用。但是，你能想象在千万亿分之一秒内用完这些电吗？要在这么短的时间内用完这么多的电，你需要大量的电器，而且你还必须迅速地开关它们。因此，在这种情况下的用电峰值功率将会非常大。
光脉冲可以用完这些电。因为它们的持续时间特别短，而且包含了这么多能量。事实上，我们有可能产生某种脉冲，使其在某一时刻以相当于整个地球全部发电能力的功率提供能量。但你家里的灯并不会熄灭，这是因为脉冲太短，导致它们的总能量非常小。
产生这种脉冲需要一台巨大的激光器，其占地面积几乎赶得上一个足球场那么大。英国卢瑟福·阿普尔顿(Rutherford Appleton)实验室的火神激光器(VULCAN laser)就占地颇大。火神激光器可以让持续500飞秒的脉冲携带500焦耳(3.6×106焦耳 = 1千瓦时)的能量。500焦耳只是一个100瓦的灯泡在5秒内发出的能量。然而脉冲很短的持续时间意味着光的强度可以达到100万颗太阳的总量。位于加利福尼亚州利弗莫尔的美国国家点火装置(National Ignition Facility，缩写为NIF)[8]的激光器要比火神激光器大得多。还在计划中的欧洲光学基础设施(European Light Infrastructure)项目将建造一个比NIF峰值功率更大的系统。
这种非常短暂、非常强烈的光爆发可以用来改变物质的状态。光脉冲产生的最大电场大于原子内部的电子和原子核之间的引力场，所以有可能利用这个机制将原子中的电子剥离出来，从而形成一种新的物质状态——等离子体。这种剥离可以瞬间完成，比原子核运动的时间还要短，使得原子更紧密地排列在一起，因此等离子体的密度非常大，几乎与固体材料(如一块玻璃)的密度相同，然而与固体材料不同的是，等离子体的温度高达200万摄氏度。
这就是巨行星甚至一些恒星的核心所处的状态：高密度等离子体的粒子在百万倍于大气压力的压力下高速碰撞。这样的等离子体可以在实验室获得，它们的用途极为广泛。例如，我们可以通过它们了解恒星是如何工作的，它们的生命周期是怎样的，从而描述它们的进化阶段，如超新星爆炸和白矮星[9]等。其他一些令天体物理学家感兴趣的现象也可以使用激光器进行实验研究。同时，天体物理学家也使用这种等离子体来探索行星科学。例如，我们可以从气态巨行星的质量和大小来推断它们的组成，但前提是我们要知道在如此高的压力下物质能被压缩到什么程度。
一些激光设备利用波长很短的光产生脉冲。这些脉冲由磁场中加速的电子产生，所以当它们沿着加速器急速下落时，它们会左右“摇摆”。这就产生了一种由短脉冲X射线组成的同步辐射。这类激光器通常使用粒子加速器的技术甚至硬件。比如斯坦福线性对撞机光源(Linear Collider Light Source，缩写为LCLS)和德国汉堡X射线自由电子激光器(X-ray Free Electron Laser，缩写为XFEL)。
基于最强烈的激光脉冲以及X射线短时增强的技术，科学家们能够在各种条件下检测等离子体。此外，激光在原子核之间施加的巨大压力，可以在适当的条件下使原子核融合在一起，这个过程会释放出大量的能量。这种“核聚变”可能使我们获得几乎无限的能源。将激光应用于核聚变在技术上要求极高，也是目前正在探索的实现核聚变的两种方法之一：另一种方法不涉及光，光只是在其中充当一种监测工具。不过这两种方法都使用了致密等离子体。
当激光脉冲穿过等离子体时，会产生一种波，类似于船只划过水面时会留下波纹。在等离子体的电场内距离10-6米的两端电压可达到10万伏以上(这意味着约为高压电塔电线中10倍的电压，被加在只有人类头发丝直径十分之一的宽度上)。这样的电场强度比世界上用于研究基本粒子的最大机器，如日内瓦欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(Large Hadron Collider，缩写为LHC)所使用的加速场强度至少大1000倍。在未来，也许我们可以用激光制造出可以放在桌面上的小型设备，使电子能够加速到目前LHC所能达到的能量。
通过激光脉冲与物质相互作用产生的超强电场，也可以给较重的粒子加速，比如质子。目前质子束正作为一种治疗癌症的手段被研发，与目前使用的其他类型的放射治疗相比，重的粒子可以更精确、更深入地送达病变组织。
光的非凡特性使人们能够不断在广阔的范围里开创新领域。可以说，光是科学技术中一种无处不在的工具。
