07 探索光學前沿 Lighting the Frontiers

  光學有著悠久的歷史，儘管它可能是自然哲學和科學中一直持續發展的最古老分支，時至今日，它仍然處在研究和應用的前沿。光學無處不在：它不僅可以作為檢測、成像和通信的工具，也提供了探索、發現和解釋新的基本效應的方法。

  利用光可以創造出一些物理學上的極端條件，例如自然界中不存在的極端溫度、極端壓力和應力。這些極端條件或許也存在於最遙遠的恆星中。光還可以用來觀察甚至控制發生得極快的事件，例如發生在原子內部的電子運動。

  此外，光還可以展示出量子世界的奇特特徵。它揭示出，即使在日常條件下，這個非連續的世界中存在著許多與直覺相違背的方面。而這個非連續的世界卻構成了我們日常經驗中穩定可靠世界的基礎。在這一章中，我將探索一些由光引領的前沿領域。之所以能夠研究這些領域，是由於在光源、光學系統和探測器方面取得的巨大科技進步，使我們能夠在空間和時間上精確控制光束的形狀和強度。

  光力學

  光能夠對物體施加作用力，這使得我們可以利用成形光束對小塊材料進行「遠程控制」。光可以用來移動物質，使其與其他物體接觸，或者用來操控分子和原子的內部結構，迫使它們發生簡單的化學反應，從而可以研究和開發具有特殊性質的材料。光的這種功能在很多研究領域都非常有用。

  光之所以能夠產生機械力，是因為光的每個光子都攜帶動量。例如，當光子從平面鏡反射回來時，平面鏡會受到一種力，這種力幫助光子改變了運動方向。這就像是消防水龍帶中的水撞擊牆面，在反彈回來時向牆面施加力一樣。

  類似地，當光子發生折射時，它的運動方向會發生改變，這也需要力的幫助。所以光子會對摺射元件施加力。如果一束光入射到玻璃珠上，其中與玻璃珠幾乎相切的光線的方向改變最大。當光線透穿過玻璃珠表面時，穿過玻璃珠下半部分的光子會向上運動。因此玻璃珠會受到一個反方向的力。隨著光子的運動方向改變，光子在前進方向上(遇到玻璃珠之前的運動方向)的動量減小了，這說明光子對玻璃珠在前進方向上也有一個淨力。這個力的強度取決於玻璃珠每秒折射的光子數。最終，如果這個光束中心的強度強於光束外圍，那麼玻璃珠就會被推向光束強度較高的部分，就好像光束將玻璃珠「捕獲」了一樣。

  這個效應可以將聚焦的光束變成一個「光學鑷子」。光學鑷子能夠抓住微小的物體，並且通過操控光束方向來控制物體的移動。光學鑷子可應用於生物學，例如，它可以操控單個DNA鏈的位置和運動，還可以用來研究小分子馬達[1]的特徵。具體來說，DNA、蛋白質和其他重要的生物分子都可以附著在這些玻璃珠的表面，因而光學鑷子可以依照上述原理對它們進行操控。光學鑷子可以在比光的波長還要小的精度上控制這些分子的位置，從而能夠測量極小的力——例如生物細胞附著在表面或者其他細胞上的力，也可以在使用雷射處理細胞(「細胞手術」)時，用光學鑷子將細胞精確地固定在適當位置。除此之外，光學鑷子還可以和其他的測試方法綜合應用，例如和氣溶膠的光散射或者光譜學相結合，可以用來發現可能造成大氣污染的顆粒。

  圖31　一種由光的機械力控制的納米級懸樑臂。圖中的圓盤是直徑約為30微米的微小鏡面

  

  光的機械力可以用來發現微小物體運動的全新狀態。如圖31所示的微型機械懸臂，其懸臂的運動就可以用光進行觀察和控制。這種光力可以用來加熱或者冷卻懸臂的振動——就好像為機械手錶的彈簧上弦或者放鬆一樣——最終儘可能使其達到最安靜靜止的狀態，只有運動的量子漲落才能干擾到這種完全靜止的狀態。光力也可以用來冷卻比機械懸臂小得多的原子，並揭示出物質更奇特的量子態。

  超冷

  你體驗過的最冷溫度是多少？比冬天的牛津(大約2℃)、渥太華(-20℃)或南極(-50℃)還要冷嗎？或許是液氮的溫度(-200℃)？這些當然都很冷，但絕不是最冷的情況。研究發現，溫度有一個最低極限，-273℃或者0開爾文(單位：K)。我們將其稱為「絕對零度」，沒有比這個溫度再低的了。要達到這個溫度需要物體保持絕對靜止，此時，物體只受到量子力學的影響，使得其原子和分子產生輕微的抖動。

  事實上，製造一台能達到絕對零度的機器是不可能的，但是使用「光學冰箱」可以達到非常接近絕對零度的溫度的程度。當溫度降低到一定程度時，原子幾乎停止運動，這意味著原子的尺寸變大了(量子力學告訴我們，不能同時確定物體的精確位置和速度。如果原子完全停止運動，就意味著它必須向整個空間擴展)。因此，所有冷卻的原子占據了空間中相同的區域，從而產生了一些非常奇特的新現象。

  光學冰箱的工作原理是利用雷射來「冷卻」原子。想像有一束雷射照射在一個從左向右移動的原子上，由於雷射從右向左照射，所以會有一束光子直接撞擊到原子上。為了使這些光子可以被原子吸收，雷射根據原子運動的速度，被調節到某個特定頻率。當原子從雷射中吸收了一個光子時，就好像被光子當面「踢」了一下，從而降低了運動速度(更確切地說，光子的動量轉移到了原子上。由於兩者的初始動量方向相反，所以原子的動量減小，因此速度降低)。在之後的某個時刻原子必須重新發射光子，並且會受到與發射光子方向相反的力。但是由於原子發射光子的方向是隨機的，這就意味著原子受力的方向也是隨機的，因此原子可以向任意方向運動。

  當你觀察了足夠多的吸收-散射過程，你就會發現，儘管光總是從同一個方向(雷射束的入射方向)被吸收，但是原子卻向各個方向發射光子，而不會偏向某個方向。這個現象導致的結果是，在與入射雷射束相反方向運動的一組原子會慢慢停止運動，此後開始向各個方向隨機運動。這樣的隨機運動對應著某一溫度，這一溫度與原子吸收光子到重新發射出去的時長成正比。

  在這個方法的基礎上有幾個改良版本，每一種版本方法都是利用光將原子(和分子)冷卻到更低的溫度。在這種情況下，光就像一種「黏性流體」，其中的原子運動得越來越慢。一旦原子的速度降低到一定程度，甚至可以用光學鑷子來捕獲原子。此時就可以應用更加複雜的光學冷卻技術，使溫度降低到僅比絕對零度高十億分之一攝氏度。

  我之前提到，即使在絕對零度下原子依然會有「抖動」，這種抖動是量子力學引起的。可以將這種抖動的區域看作原子本身的空間區域。也就是說，根據量子力學，原子不僅以隨機的方式在一個狹小的空間區域內遊蕩，還存在於整個空間區域內。對於被困在如此低溫下的原子而言，該區域的大小可能是千分之一米。不過考慮到電子到原子核的距離只有十億分之一米，那麼這個原子所占的空間可以說是相當大了。更奇怪的是，幾個原子可以同時占據這個同一空間區域。

  這個概念是非常違反直覺的。我們常常認為原子就像一個個小小的撞球，可以緊密地堆積在一起，就像組成固體材料中的元件結構一樣。但是同時，由於原子在材料中位置不同，它們各自又保持著其獨特的特性。但對於這些超低溫的原子就不一樣了，它們可以同時存在於任何地方，這是一種新的物質狀態。這種狀態由愛因斯坦和印度科學家薩特廷德拉·納特·玻色[2](Satyendra Nath Bose)發現，被稱為玻色-愛因斯坦凝聚態(Bose-Einstein condensate)。

  這種奇特的狀態有一些顯著的特性。例如，原子云[3]就是一種超流體[4]，在流動時沒有黏性。此外，原子云可以被一分為二然後再重組在一起，從而使這兩個被分離的原子云表現出量子干涉效應。這從本質上展示了一個大物體(包含許多原子，使其大小可見)所具有的量子特性。這種量子特性可以歸因於每一個特定原子的不確定性——不確定它處於這一半還是另一半原子云中。我們必須考慮每個原子其實同時存在於這兩個原子云中。

  由於這些冷原子可以被光束束縛，所以也可以用幾束光束創造出某種空間結構用來操縱原子。例如，當兩個光束相遇時，會形成一個干涉圖樣(見第3章)，在干涉圖樣中有些區域強度高，有些區域強度低。冷原子們要不就都停留在強度高的區域，要不都停留在強度低的區域(可以通過選擇特定波長的光來調整原子所在的區域)。隨著光束強度的增大，原子會落入干涉圖樣中出現的「雞蛋托盒」狀的光陷阱中(見圖32a)。它們落入的方式也很有趣。

  圖32　被光束縛在光學晶格[5]中的冷原子：a.光學晶格中個晶胞束縛有幾百個原子(溫度為幾十微開爾文)；b.一些分布在各個「格子」中的單個原子(溫度為納開爾文)。

  當原子足夠冷時，它們並不喜歡待在雞蛋托盒內的同一個「格子」里，因此最終原子的分布特別像一個完整的雞蛋托盒——一個原子待在一個格子裡，如圖32b所示。這種情況下不存在超流體，因為原子們喜歡待在原地。事實上，這更像是一個「絕緣體」，因為所有的原子都沒有動。通過調節光的強度，可以探究原子從完全自由流動到完全不流動的有趣過渡。

  在量子力學的環境中實現對原子的控制，這使得科學家們能夠探究與其他類型的材料(例如固態金屬氧化物)相關的物質的新特性。儘管在這些材料上，我們很難實現同等精確度的控制和測量。現在我們可以觀察到，冷原子氣體[6]位於「雞蛋托盒」中的單個原子，並觀察當周圍環境發生變化時它們會有怎樣的反應。

  我們可以用許多不同類型的原子來探究這種低溫狀態，並且利用光來構造複雜的俘獲結構。當前的一個研究領域是利用冷原子來「模擬」其他量子系統。利用這種方法可以研究其他方法無法解決的複雜問題，促進我們對材料和結構產生新的理解，從而產生新的影響。這也許可以幫助我們理解甚至是設計出新的磁鐵，可用於計算機數據存儲、醫療的核磁共振成像設備，甚至用於懸浮列車的無摩擦發動機。

  超快

  光脈衝可以非常短。在第5章中，我說過它們可以和光學場的單個周期一樣短。光譜中的可見光，其光脈衝大約會持續2飛秒。對于波長較短、頻率較高的極紫外(extreme ultraviolet，縮寫為EUV)區，其光脈衝持續的時間更短。目前測量到的最短光脈衝的持續時間小於100阿秒(10-18秒)。這些脈衝是目前可以受控產生的最短脈衝(儘管我們可以通過粒子對撞機觀察到發生在更短時間尺度上的事件)。隨著在X射線波段中出現了光的爆發，我們甚至可以期待產生持續時間更短的光脈衝。

  這些數字簡直小得讓人難以置信，因此有必要選取一些參照物來幫助我們理解。宇宙的年齡是5× 1017秒，因此1秒和宇宙年齡的比值大約等於1阿秒和1秒的比值。或者從經濟學的角度來看，如果美國的國債總量相當於1秒鐘，那麼1飛秒就相當於1美分。在這個尺度上，1阿秒幾乎是沒價值的。

  在這個時間尺度上能發生什麼事情呢？在第4章中我介紹了一個簡單的原子模型，叫做玻爾模型。在這個模型中，電子受到電力的吸引而「環繞」原子核運動，就像行星受到萬有引力的牽引繞太陽運動一樣。對於簡單原子(只有幾個電子的原子)而言，電子繞軌道運行一周所需的時間約為150阿秒。如果我們想觀察電子的運動，需要使用比150阿秒更短的光脈衝，才能使圖像不致模糊。

  頻閃儀是與該話題最相關的一個設備。目前，研究人員已經使用了一種頻閃儀的變體來觀察原子和分子在基本微觀層面上發生的迅速變化。在此應用中，一束雷射的光脈衝被分為兩個(或更多)部分，並在這兩個部分之間引入一個延遲。其中，第一個脈衝先發射並照亮樣品，其中一部分被樣品吸收了。這「觸發」了系統中的一些變化——電子在原子內部運動，或者化學鍵在分子或固體中振動。接著，第二個脈衝發射過去，其中一部分經由樣品散射，而後被探測到。

  重複進行該實驗時，隨著兩個脈衝之間延遲時間的增加，探測到的散射光可以反映出樣品的動態變化。從某種意義上來說，這是原子、分子或者固體變化的「電影」。這種「泵浦[7]探針」的方法已經被用來研究一些複雜的過程，例如在化學反應中，當兩個分子通過它們之間的相互作用而被重構時發生了什麼。這種方法還有一個更複雜的版本，就是利用不止兩個，而是多個光脈衝。這些方法現在被用來研究許多極其有趣卻令人費解的內容，從相互作用的原子、高溫超導體到生物系統，等等。

  我已經說過光學場的單一個周期是脈衝所能持續最短的時間。而我們可以利用由高次諧波產生的極紫外(EUV)脈衝，設計實驗來測量光電場的振盪。測量脈衝場需要非常快，要比光周期快得多。我們可以利用波長更短的脈衝，它只有光學波長的二三十分之一。當一個電子被一個強光脈衝從原子上剝離時，就會產生這種波長非常短的脈衝。這個過程需要一個光學場，其強度相當於電子與原子核之間的結合力大小。這種脈衝很容易通過在鎖模雷射器的輸出端增加一個光放大器來獲得。

  當電子被強烈的脈衝從原子上剝離出來後，電子會處在一個快速振盪的電場之中。如果電子是在電場振幅為零時被剝離的，電子就可以順著光學波的下一個周期做「衝浪」運動——短暫地遠離原子，然後再回來。當它返回時，速度會非常快，並且可以通過光的形式釋放所有額外的能量，從而被原子重新捕獲。在這種情況下，原子和電子重新結合時，會釋放出非常短的脈衝。這個脈衝的波長只有幾百億分之一米，位於光譜的EUV區域，大約是產生它的光波波長的1/20。

  現在想像這個EUV脈衝發射到另一個原子上。它的波長非常短，足以被原子吸收，並擊出一個電子停留在原子周圍。進一步設想，在同一時刻將待測量的短光脈衝也發射到這個原子上。這個脈衝的場將使停留的電子向某個方向加速，這一方向取決於電子被EUV脈衝從原子上被剝離時，所處的光學波周期位置。通過改變EUV脈衝和光脈衝之間的延遲，就可以測量電子的加速度。由於速度較大的電子有更多的能量，這使我們可以「看到」光脈衝場(見圖33)，儘管該場振盪的時間非常短。

  圖33　光脈衝場的圖像。兩個相鄰峰值之間的時間間隔為2.飛秒

  這種泵浦探針光譜法可以應用在生物化學的研究中，例如研究光合作用的第一步反應，即植物利用陽光的能量，將空氣中的二氧化碳轉化為氧氣。這一步需要以極高的效率在一個大的生物分子周圍傳輸能量。該過程包含有一些非常有趣卻不能被解釋的特性——其能量的傳輸比人們預期的要快得多，效率也要高得多。如果我們能從這種在自然界中進化了上億年的系統中，學習如何快速高效地傳輸能量，或許我們就能夠應用這些知識改進諸如太陽能電池的設計之類，這將給社會帶來極大的影響。

  超強

  電費帳單告訴你上個月用了多少電。它以千瓦時(kW·h)為計量單位，你消費的每一度電都要付費。假設你在某個月使用了220千瓦時(這是英國每月的人均能耗)：你可以在這個月的四周內平均使用這些電，或者你也可以在第一周用光它，並在接下來的三周什麼都不用。但是，你能想像在千萬億分之一秒內用完這些電嗎？要在這麼短的時間內用完這麼多的電，你需要大量的電器，而且你還必須迅速地開關它們。因此，在這種情況下的用電峰值功率將會非常大。

  光脈衝可以用來用完這些電。因為它們的持續時間特別短，而且包含了這麼多能量。事實上，我們有可能產生某種脈衝，使其在某一時刻以相當於整個地球全部發電能力的功率提供能量。但你家裡的燈並不會熄滅，這是因為脈衝太短，導致它們的總能量非常小，需要一台巨大的雷射器來產生這種脈衝，其占地面積幾乎趕得上一個足球場那麼大。英國盧瑟福·阿普爾頓(Rutherford Appleton)實驗室的火神雷射器(VULCAN laser)就占地頗大。火神雷射器可以讓持續500飛秒的脈衝攜帶500焦耳(3.6×106J = kWh)的能量。500焦耳只是一個100瓦的燈泡在5秒內發出的能量。然而脈衝很短的持續時間意味著光的強度可以達到100萬顆太陽的總量。位於加州利弗莫爾的美國國家點火裝置(National Ignition Facility，縮寫為NIF)[8]的雷射器要比火神雷射器大得多。還在計劃中的歐洲光學基礎設施(European Light Infrastructure)項目將建造一個比NIF峰值功率更大的系統。

  這種非常短暫、非常強烈的光爆發可以用來改變物質的狀態。光脈衝產生的最大電場大於原子內部的電子和原子核之間的引力場，所以有可能利用這個機制將原子中的電子剝離出來，從而形成一種新的物質狀態——等離子體。這種剝離可以瞬間完成，比原子核運動的時間還要短，使得原子更緊密地排列在一起，因此等離子體的密度非常大，幾乎與固體材料(如一塊玻璃)的密度相同，然而與固體材料不同的是，等離子體的溫度高達200萬攝氏度。

  這就是巨行星甚至一些恆星的核心所處的狀態：高密度等離子體的粒子在百萬倍於大氣壓力的壓力下高速碰撞。可以在實驗室獲得這樣的等離子體，而且它們的用途極為廣泛。例如，我們可以通過它們了解恆星是如何工作的，它們的生命周期是怎樣的，從而描述它們的進化階段，如超新星爆炸和白矮星[9]等。其他的一些令天體物理學家感興趣的現象也可以使用雷射器進行實驗研究。同時，天體物理學家也使用這種等離子體來探索行星科學。例如，我們可以從氣態巨行星的質量和大小來推斷它們的組成，但前提是我們要知道在如此高的壓力下物質能被壓縮到什麼程度。

  一些雷射設備利用波長很短的光產生脈衝。這些脈衝由磁場中加速的電子產生，所以當它們沿著加速器急速下落時，它們會左右「搖擺」。這就產生了一種由短脈衝X射線組成的同步輻射。這類雷射器通常使用粒子加速器的技術甚至硬體。比如斯坦福線性對撞機光源(Linear Collider Light Source，縮寫為LCLS)和漢堡X射線自由電子雷射器(X-ray Free Electron Laser，縮寫為XFEL)。

  基於最強烈的雷射脈衝以及X射線短時增強的技術，科學家們能夠在各種條件下檢測等離子體。此外，雷射在原子核之間施加的巨大壓力，可以在適當的條件下使原子核融合在一起，在這個過程中會釋放出大量的能量。這種「核聚變」可能使我們獲得幾乎無限的能源。將雷射應用於核聚變在技術上要求極高，也是目前正在探索的實現核聚變的兩種方法之一：另一種方法不涉及光，光只是在其中充當一種監測工具。不過這兩種方法都使用了緻密等離子體。

  當雷射脈衝穿過等離子體時，會產生一種波，類似於船隻划過水面時會留下波紋。在等離子體的電場內距離10-6米的兩端電壓可達到10萬伏以上(這意味著約為高壓電塔電線中10倍的電壓，被加在只有人類頭髮十分之一的寬度上)。這樣的電場強度比世界上用於研究基本粒子的最大機器，如日內瓦歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(Large Hadron Collider，縮寫為LHC)，所使用的加速場強度至少大1000倍。在未來，也許我們可以用雷射製造出可以放在桌面上的小型設備，使電子能夠加速到目前LHC所能達到的能量。

  通過雷射脈衝與物質相互作用產生的超強電場，也可以給較重的粒子加速，比如質子。目前質子束正作為一種癌症治療的手段被研發，與目前使用的其他類型的放射治療相比，重的粒子可以更精確、更深入地送達病變組織。

  光的非凡特性使人們能夠不斷在廣闊的範圍里開創新領域。可以說，光是科學技術中一種無處不在的工具。

  [1]　分子馬達（molecular motor）是由生物大分子構成，利用生物化學能進行機械做功的納米系統。生命體的一切活動都依賴於分子馬達。

  [2]　1894—1974，印度物理學家，奠-定愛了因玻斯色坦凝聚理論的基礎。玻色子就是以他的名字命名的。

  [3]　由大量原子構成，處於玻色-愛因斯坦凝聚態。

  [4]　超流體是在超低溫下的一種內部完全缺乏黏性的理想流體。

  [5]　即文中描述的由多個光束相互干涉形成的光陷阱，可將冷原子「囚禁」於其中。

  [6]　由單個原子組成的氣體。

  [7]　利用光將原子或者分子內部的電子從低能態激發到高能態的過程。

  [8]　美國科學家製造的世界上最大的雷射核聚變裝置，能產生恆星內核溫度和壓力，被稱為「人造小太陽」。

  [9]　超新星爆炸和白矮星都是恆星進化到末期後可能出現的結果。