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光的力量一种新型“牵引光线”提案将会驾驭光能

  牵引光线是科幻作品中的重要角色,现在它却越来越接近现实。今年初春发表的一篇文章中,物理学家设计了一种可以用光拉动物体的装置。

  一般情况下,光线只能推动物体,尽管力量很微弱。在光学操控的领域中,光学镊子可以应用这种推力移动微观物体,小至原子大至细菌。同样的,光线牵引的能力也可以提高光学操控的准度和广度。飞行器工程师们也已经设计出各种宇宙飞行帆,用以捕捉光所产生的力。

  新设计的牵引光线将被更多地应用在生物或医药中,而不是用来拖动宇宙飞船。“如果你想将一件物品拉向自己,你必须减小物体面向你的方向上的压强,”以色列技术工程学院的物理学家莫迪凯·塞格夫说道。他在4月份《光学快递》(Optics Express)刊登的文章中描述了他的研究小组的设想。“需要创造出一点真空以减小压强,”他补充道。问题是在对环境非常敏感的医药操作中,比如肺部手术,绝对不能改变压强或充入任何新气体。“那么,光线将成为抽吸的装置,”他说,“这样压力不会有任何改变而只有光存在。”

  早期对于“牵引光线”的研究通常集中在创建新的引力场来拖曳物体、加热空气从而产生压力差,或是向物体引入电量或是磁性,这样它们就可以沿着入射激光逆向移动。

  最新的提案利用了一种被称之为负辐射压的现象。俄国物理学家维克托·维斯拉格在1967年发表的文章中讨论了具有负折射率的材料,并首先建立了负辐射压的理论模型。折射率的数值描述了光线在通过玻璃透镜或其他介质时被弯曲的程度。而这篇文章发表后,大家并不相信物质会出现负折射率。但在过去的几十年里,几组研究人员都证实了负折射率可以出现在一种被称作超常介质的特殊人造材料中。这一发现也导致了半隐形斗篷和无变形现象的“超级”透镜的发明。

  负辐射压的原理依赖于光波的两个特性:它的群速度和相速度。一束光波由一组组小波构成;群速度矢量是波群整体的移动速率与方向,相速度矢量代表某个构成光波的小波上的一点的相位改变速率与方向。光波的电磁能沿着群速度的方向辐射传播,而波对粒子产生的影响则是顺着相速度的方向。如果这两种速度的传播方向有相反的分量时,就可以产生负辐射压。

  但大部分超常介质是固体,并且扩大粒子之间的间隙会消除负辐射压。这些对通过负辐射压移动粒子的设想产生了阻碍。不仅如此,所有现有的超常介质都包含金属,它们会吸收电磁能,从而使作用在粒子上的牵引效应几乎为零。