《光鑷技術(shù)》
九旬美國(guó)物理學(xué)家阿瑟·阿什金因?yàn)榘l(fā)明“光鑷技術(shù)”，獲得2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。很多科研界人士甚至壓根沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)“光鑷”這種技術(shù)?！肮忤嚒彪m然內(nèi)涵深?yuàn)W，但其實(shí)稍加簡(jiǎn)介就能讓普通人建立概念。今天，我們就先試著讓大家了解一下這個(gè)能夠以光的力量來(lái)操縱細(xì)胞的諾貝爾獎(jiǎng)成就。
“光鑷”誕生的發(fā)想——光之力
伴隨著上世紀(jì)60年代以來(lái)激光束流相關(guān)的產(chǎn)生、控制技術(shù)的進(jìn)展，利用光來(lái)操作微小物體的“光鑷”隨之登上了歷史舞臺(tái)。阿瑟·阿什金教授曾在貝爾實(shí)驗(yàn)室和朗訊科技公司任職，他很早就開(kāi)始進(jìn)行光操控微粒的研究工作，并最終于1986年公開(kāi)了他的第一代“光鑷”。
大家都知道光可以協(xié)助動(dòng)物產(chǎn)生視覺(jué)，可以為植物提供能量來(lái)源，可以加熱物體，但是對(duì)“光的力學(xué)領(lǐng)域”可能并不熟悉。實(shí)際上，光鑷正是利用了“光的力”（也譯為光壓、輻射壓等等），并誕生了舉世矚目的成果。
什么是“光的力”？
中學(xué)物理中，我們已經(jīng)了解了光同時(shí)具有波和粒子的雙重性質(zhì)，所謂波粒二象性。與人體被飛來(lái)的棒球擊中后產(chǎn)生沖擊一樣，光的粒子即光子在接觸物體后，同樣會(huì)對(duì)該物體施加力的作用。
你可能會(huì)感到奇怪，既然如此，我們?yōu)槭裁礇](méi)有被強(qiáng)烈的日光或者探照燈擊倒在地呢？
這是因?yàn)?，光的壓力大概僅僅在10億分之一到100億分之一N這個(gè)數(shù)量級(jí)，所以說(shuō)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(dòng)。例如，紅血球、細(xì)菌一類(lèi)人體細(xì)胞或者微生物等等都對(duì)光壓非常敏感。來(lái)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(jìn)行移動(dòng)。
光鑷是如何讓光操控微粒成為可能的
具體來(lái)說(shuō)，光鑷系統(tǒng)一般由照明光路和控制光路構(gòu)成。
照明光路負(fù)責(zé)采集成像所需的信號(hào)，而控制光路用來(lái)控制和限制微小物體的運(yùn)動(dòng)?？刂乒饴返暮诵氖菂R聚性能特別好的激光束發(fā)射系統(tǒng)。
激光的特性之一就是可以被匯聚到一個(gè)十分微小的光斑上，這是普通光源所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
對(duì)于所要操控的微小物體來(lái)說(shuō)，這種激光束匯聚形成的強(qiáng)聚焦光斑會(huì)形成一個(gè)類(lèi)似“陷阱”的機(jī)構(gòu)（稱(chēng)為三維光學(xué)勢(shì)阱），微粒將會(huì)被束縛在其中。
一旦微粒偏離這個(gè)“陷阱”中的能量最低點(diǎn)（即位置的穩(wěn)定點(diǎn)），就會(huì)受到指向穩(wěn)定點(diǎn)的恢復(fù)力作用，好像掉進(jìn)了一個(gè)無(wú)法擺脫的“陷阱”一般。如果移動(dòng)聚焦光斑，微粒也會(huì)隨之移動(dòng)，因此便能實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒的捕獲和操控。
光鑷技術(shù)早已大顯神通
光鑷技術(shù)在生物學(xué)研究領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，例如將不同細(xì)胞擠壓在一起，或者向細(xì)胞中注入微量物質(zhì)或者微小物體一類(lèi)場(chǎng)合，都是光鑷大顯身手的時(shí)機(jī)。
又比如，在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，經(jīng)常會(huì)有區(qū)分水中數(shù)種微小物體的需求，利用光鑷可以將各種物質(zhì)在無(wú)損條件下容易地分離，給之后的精密分析創(chuàng)造良好的條件。
此外，在操控的同時(shí)，鑒于激光波長(zhǎng)良好的穩(wěn)定性和高精度，光鑷還可以同時(shí)獲得大量空間測(cè)量數(shù)據(jù)。
一個(gè)有趣的應(yīng)用實(shí)例就是，有研究人員利用光鑷測(cè)量了驅(qū)動(dòng)蛋白在微管上行走的距離數(shù)據(jù)，從而推算出驅(qū)動(dòng)蛋白每走一步的能量正好相當(dāng)于一個(gè)ATP水解所釋放的能量，堪稱(chēng)光鑷操控性和測(cè)量性結(jié)合的絕好案例。
其實(shí)，直到筆者打出“光鑷”兩個(gè)字的時(shí)候，搜狗輸入法還沒(méi)有錄入這個(gè)詞組……相信對(duì)于絕大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，光鑷都是一個(gè)相當(dāng)陌生的概念。光鑷技術(shù)所代表的一系列微操控技術(shù)，的的確確為人類(lèi)在諸多領(lǐng)域帶來(lái)了極為便利的工具。此番斬獲諾獎(jiǎng)，雖然出乎大多預(yù)測(cè)所料，卻也名副其實(shí)。相信隨著諾貝爾獎(jiǎng)的頒發(fā)，光鑷技術(shù)必然會(huì)在世界范圍內(nèi)掀起一股科普風(fēng)潮。

《光鑷技術(shù)》
九旬美國(guó)物理學(xué)家阿瑟·阿什金因?yàn)榘l(fā)明“光鑷技術(shù)”，獲得2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。很多科研界人士甚至壓根沒(méi)聽(tīng)說(shuō)過(guò)“光鑷”這種技術(shù)。“光鑷”雖然內(nèi)涵深?yuàn)W，但其實(shí)稍加簡(jiǎn)介就能讓普通人建立概念。今天，我們就先試著讓大家了解一下這個(gè)能夠以光的力量來(lái)操縱細(xì)胞的諾貝爾獎(jiǎng)成就。
“光鑷”誕生的發(fā)想——光之力
伴隨著上世紀(jì)60年代以來(lái)激光束流相關(guān)的產(chǎn)生、控制技術(shù)的進(jìn)展，利用光來(lái)操作微小物體的“光鑷”隨之登上了歷史舞臺(tái)。阿瑟·阿什金教授曾在貝爾實(shí)驗(yàn)室和朗訊科技公司任職，他很早就開(kāi)始進(jìn)行光操控微粒的研究工作，并最終于1986年公開(kāi)了他的第一代“光鑷”。
大家都知道光可以協(xié)助動(dòng)物產(chǎn)生視覺(jué)，可以為植物提供能量來(lái)源，可以加熱物體，但是對(duì)“光的力學(xué)領(lǐng)域”可能并不熟悉。實(shí)際上，光鑷正是利用了“光的力”（也譯為光壓、輻射壓等等），并誕生了舉世矚目的成果。
什么是“光的力”？
中學(xué)物理中，我們已經(jīng)了解了光同時(shí)具有波和粒子的雙重性質(zhì)，所謂波粒二象性。與人體被飛來(lái)的棒球擊中后產(chǎn)生沖擊一樣，光的粒子即光子在接觸物體后，同樣會(huì)對(duì)該物體施加力的作用。
你可能會(huì)感到奇怪，既然如此，我們?yōu)槭裁礇](méi)有被強(qiáng)烈的日光或者探照燈擊倒在地呢？
這是因?yàn)?，光的壓力大概僅僅在10億分之一到100億分之一N這個(gè)數(shù)量級(jí)，所以說(shuō)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(dòng)。例如，紅血球、細(xì)菌一類(lèi)人體細(xì)胞或者微生物等等都對(duì)光壓非常敏感。來(lái)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(jìn)行移動(dòng)。
光鑷是如何讓光操控微粒成為可能的
具體來(lái)說(shuō)，光鑷系統(tǒng)一般由照明光路和控制光路構(gòu)成。
照明光路負(fù)責(zé)采集成像所需的信號(hào)，而控制光路用來(lái)控制和限制微小物體的運(yùn)動(dòng)。控制光路的核心是匯聚性能特別好的激光束發(fā)射系統(tǒng)。
激光的特性之一就是可以被匯聚到一個(gè)十分微小的光斑上，這是普通光源所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
對(duì)于所要操控的微小物體來(lái)說(shuō)，這種激光束匯聚形成的強(qiáng)聚焦光斑會(huì)形成一個(gè)類(lèi)似“陷阱”的機(jī)構(gòu)（稱(chēng)為三維光學(xué)勢(shì)阱），微粒將會(huì)被束縛在其中。
一旦微粒偏離這個(gè)“陷阱”中的能量最低點(diǎn)（即位置的穩(wěn)定點(diǎn)），就會(huì)受到指向穩(wěn)定點(diǎn)的恢復(fù)力作用，好像掉進(jìn)了一個(gè)無(wú)法擺脫的“陷阱”一般。如果移動(dòng)聚焦光斑，微粒也會(huì)隨之移動(dòng)，因此便能實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒的捕獲和操控。
光鑷技術(shù)早已大顯神通
光鑷技術(shù)在生物學(xué)研究領(lǐng)域已經(jīng)有了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，例如將不同細(xì)胞擠壓在一起，或者向細(xì)胞中注入微量物質(zhì)或者微小物體一類(lèi)場(chǎng)合，都是光鑷大顯身手的時(shí)機(jī)。
又比如，在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，經(jīng)常會(huì)有區(qū)分水中數(shù)種微小物體的需求，利用光鑷可以將各種物質(zhì)在無(wú)損條件下容易地分離，給之后的精密分析創(chuàng)造良好的條件。
此外，在操控的同時(shí)，鑒于激光波長(zhǎng)良好的穩(wěn)定性和高精度，光鑷還可以同時(shí)獲得大量空間測(cè)量數(shù)據(jù)。
一個(gè)有趣的應(yīng)用實(shí)例就是，有研究人員利用光鑷測(cè)量了驅(qū)動(dòng)蛋白在微管上行走的距離數(shù)據(jù)，從而推算出驅(qū)動(dòng)蛋白每走一步的能量正好相當(dāng)于一個(gè)ATP水解所釋放的能量，堪稱(chēng)光鑷操控性和測(cè)量性結(jié)合的絕好案例。
其實(shí)，直到筆者打出“光鑷”兩個(gè)字的時(shí)候，搜狗輸入法還沒(méi)有錄入這個(gè)詞組……相信對(duì)于絕大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，光鑷都是一個(gè)相當(dāng)陌生的概念。光鑷技術(shù)所代表的一系列微操控技術(shù)，的的確確為人類(lèi)在諸多領(lǐng)域帶來(lái)了極為便利的工具。此番斬獲諾獎(jiǎng)，雖然出乎大多預(yù)測(cè)所料，卻也名副其實(shí)。相信隨著諾貝爾獎(jiǎng)的頒發(fā)，光鑷技術(shù)必然會(huì)在世界范圍內(nèi)掀起一股科普風(fēng)潮。

（一）垂釣
余秋雨
去年夏天我與妻子買(mǎi)票參加了一個(gè)民間旅行團(tuán)，從牡丹江出發(fā)，到俄羅斯的海參崴游玩。海參崴的主要魅力在于海，我們下榻的旅館面對(duì)海，每天除了在陽(yáng)臺(tái)上看海，還要一次次下到海岸的最外沿，靜靜地看。
海參崴的海與別處不同，深灰色的迷蒙中透露出巨大的恐怖。我們瞇縫著眼睛，把脖子縮進(jìn)衣領(lǐng)，立即成了大自然凜冽威儀下的可憐小蟲(chóng)。其實(shí)豈止是我們，連海鷗也只在岸邊盤(pán)旋，不敢遠(yuǎn)翔，四五條獵犬在沙灘上對(duì)著海浪狂吠，但才吠幾聲又縮腳逃回。逃回后又回頭吠叫，嗚嗚的風(fēng)聲中永遠(yuǎn)夾帶著這種凄惶的吠叫聲，直到深更半夜。只有幾艘兵艦在海霧中隱約，海霧濃了它們就淡，海霧淡了它們就濃，有時(shí)以為它們駛走了，定睛一看還在，看了幾天都沒(méi)有移動(dòng)的跡象，就像一座座千古冰山。我們?cè)诤＿呎f(shuō)話(huà)，盡量壓低了聲音，怕驚動(dòng)了冥冥中的什么。
在一個(gè)小小的彎角上，我們發(fā)現(xiàn)，端坐著一胖一瘦兩個(gè)垂釣的老人。
胖老人聽(tīng)見(jiàn)腳步聲朝我們眨了眨眼算是打了招呼，他回身舉起釣竿把他的成果朝我們揚(yáng)了一揚(yáng)，原來(lái)他的釣繩上掛了六個(gè)小小的釣鉤，每個(gè)釣鉤上都是一條小魚(yú)。他把六條小魚(yú)摘下來(lái)放進(jìn)身邊的水桶里，然后再次下鉤，半分鐘不到他又起竿，又是六條掛在上面。就這樣，他忙忙碌碌地下鉤起鉤，我妻子走近前去一看，水桶里已有半桶小魚(yú)。
奇怪的是，只離他兩米之遠(yuǎn)的瘦老人卻紋絲不動(dòng)。為什么一條魚(yú)也不上他的鉤呢？正納悶，水波輕輕一動(dòng)，他緩緩起竿，沒(méi)有魚(yú)，但一看釣鉤卻碩大無(wú)比，原來(lái)只想釣大魚(yú)。在他眼中，胖老人忙忙碌碌地釣起那一大堆魚(yú)，根本是在糟踐釣魚(yú)者的取舍標(biāo)準(zhǔn)和堂皇形象。偉大的釣魚(yú)者是安坐著與大海進(jìn)行談判的人類(lèi)代表，而不是在等待對(duì)方瑣碎的施舍。
胖老人每次起竿摘魚(yú)都要用眼角瞟一下瘦老人，好像在說(shuō)：“你就這么熬下去吧，偉大的談判者！”而瘦老人只以泥塑木雕般的安靜來(lái)回答。
兩人都在嘲諷對(duì)方，兩人誰(shuí)也不服誰(shuí)。
過(guò)了不久，胖老人起身，提起滿(mǎn)滿(mǎn)的魚(yú)桶走了，快樂(lè)地朝我們扮了一個(gè)鬼臉，卻連笑聲也沒(méi)有發(fā)出，腳步如勝利者凱旋。瘦老人仍然端坐著，夕陽(yáng)照著他倔強(qiáng)的身軀，他用背影來(lái)鄙視同伴的淺薄。暮色蒼茫了，我們必須回去，走了一段路回身，看到瘦小的身影還在與大海對(duì)峙。此時(shí)的海，已經(jīng)更加猙獰昏暗。狗吠聲越來(lái)越響，夜晚開(kāi)始了。
妻子說(shuō)：“我已經(jīng)明白，為什么一個(gè)這么胖，一個(gè)這么瘦了。一個(gè)更加物質(zhì)，一個(gè)更加精神。人世間的精神總是固執(zhí)而瘦削的，對(duì)嗎？”
我說(shuō)：“說(shuō)得好。但也可以說(shuō)，一個(gè)是喜劇美，一個(gè)是悲劇美。他們天天在互相批判，但加在一起才是完整的人類(lèi)?！?br /> 確實(shí)，他們誰(shuí)也離不開(kāi)誰(shuí)。沒(méi)有瘦老人，胖老人的豐收何以證明？沒(méi)有胖老人，瘦老人固守有何意義？大海中多的是魚(yú)，誰(shuí)的豐收都不足掛齒；大海有漫長(zhǎng)的歷史，誰(shuí)的固守都是一瞬間。因此，他們的價(jià)值都得由對(duì)手來(lái)證明?？梢栽O(shè)想，哪一天，胖老人見(jiàn)不到瘦老人，或瘦老人見(jiàn)不到胖老人，將會(huì)是何等惶恐。在這個(gè)意義上，最大的對(duì)手也就是最大的朋友，很難分開(kāi)。
兩位老人身體都很好，我想此時(shí)此刻，他們一定還坐在海邊，像兩座恒久的雕塑，組成我們心中的海參崴。
（選自《余秋雨散文》）
（二）江雪
柳宗元
千山鳥(niǎo)飛絕，萬(wàn)徑人蹤滅。
孤舟蓑笠翁，獨(dú)釣寒江雪。
（三）漁歌子
張志和
西塞山前白鷺飛，桃花流水鱖魚(yú)肥。
青箬笠，綠蓑衣，斜風(fēng)細(xì)雨不須歸。

（一）垂釣
余秋雨
去年夏天我與妻子買(mǎi)票參加了一個(gè)民間旅行團(tuán)，從牡丹江出發(fā)，到俄羅斯的海參崴游玩。海參崴的主要魅力在于海，我們下榻的旅館面對(duì)海，每天除了在陽(yáng)臺(tái)上看海，還要一次次下到海岸的最外沿，靜靜地看。
海參崴的海與別處不同，深灰色的迷蒙中透露出巨大的恐怖。我們瞇縫著眼睛，把脖子縮進(jìn)衣領(lǐng)，立即成了大自然凜冽威儀下的可憐小蟲(chóng)。其實(shí)豈止是我們，連海鷗也只在岸邊盤(pán)旋，不敢遠(yuǎn)翔，四五條獵犬在沙灘上對(duì)著海浪狂吠，但才吠幾聲又縮腳逃回。逃回后又回頭吠叫，嗚嗚的風(fēng)聲中永遠(yuǎn)夾帶著這種凄惶的吠叫聲，直到深更半夜。只有幾艘兵艦在海霧中隱約，海霧濃了它們就淡，海霧淡了它們就濃，有時(shí)以為它們駛走了，定睛一看還在，看了幾天都沒(méi)有移動(dòng)的跡象，就像一座座千古冰山。我們?cè)诤＿呎f(shuō)話(huà)，盡量壓低了聲音，怕驚動(dòng)了冥冥中的什么。
在一個(gè)小小的彎角上，我們發(fā)現(xiàn)，端坐著一胖一瘦兩個(gè)垂釣的老人。
胖老人聽(tīng)見(jiàn)腳步聲朝我們眨了眨眼算是打了招呼，他回身舉起釣竿把他的成果朝我們揚(yáng)了一揚(yáng)，原來(lái)他的釣繩上掛了六個(gè)小小的釣鉤，每個(gè)釣鉤上都是一條小魚(yú)。他把六條小魚(yú)摘下來(lái)放進(jìn)身邊的水桶里，然后再次下鉤，半分鐘不到他又起竿，又是六條掛在上面。就這樣，他忙忙碌碌地下鉤起鉤，我妻子走近前去一看，水桶里已有半桶小魚(yú)。
奇怪的是，只離他兩米之遠(yuǎn)的瘦老人卻紋絲不動(dòng)。為什么一條魚(yú)也不上他的鉤呢？正納悶，水波輕輕一動(dòng)，他緩緩起竿，沒(méi)有魚(yú)，但一看釣鉤卻碩大無(wú)比，原來(lái)只想釣大魚(yú)。在他眼中，胖老人忙忙碌碌地釣起那一大堆魚(yú)，根本是在糟踐釣魚(yú)者的取舍標(biāo)準(zhǔn)和堂皇形象。偉大的釣魚(yú)者是安坐著與大海進(jìn)行談判的人類(lèi)代表，而不是在等待對(duì)方瑣碎的施舍。
胖老人每次起竿摘魚(yú)都要用眼角瞟一下瘦老人，好像在說(shuō)：“你就這么熬下去吧，偉大的談判者！”而瘦老人只以泥塑木雕般的安靜來(lái)回答。
兩人都在嘲諷對(duì)方，兩人誰(shuí)也不服誰(shuí)。
過(guò)了不久，胖老人起身，提起滿(mǎn)滿(mǎn)的魚(yú)桶走了，快樂(lè)地朝我們扮了一個(gè)鬼臉，卻連笑聲也沒(méi)有發(fā)出，腳步如勝利者凱旋。瘦老人仍然端坐著，夕陽(yáng)照著他倔強(qiáng)的身軀，他用背影來(lái)鄙視同伴的淺薄。暮色蒼茫了，我們必須回去，走了一段路回身，看到瘦小的身影還在與大海對(duì)峙。此時(shí)的海，已經(jīng)更加猙獰昏暗。狗吠聲越來(lái)越響，夜晚開(kāi)始了。
妻子說(shuō)：“我已經(jīng)明白，為什么一個(gè)這么胖，一個(gè)這么瘦了。一個(gè)更加物質(zhì)，一個(gè)更加精神。人世間的精神總是固執(zhí)而瘦削的，對(duì)嗎？”
我說(shuō)：“說(shuō)得好。但也可以說(shuō)，一個(gè)是喜劇美，一個(gè)是悲劇美。他們天天在互相批判，但加在一起才是完整的人類(lèi)?！?br /> 確實(shí)，他們誰(shuí)也離不開(kāi)誰(shuí)。沒(méi)有瘦老人，胖老人的豐收何以證明？沒(méi)有胖老人，瘦老人固守有何意義？大海中多的是魚(yú)，誰(shuí)的豐收都不足掛齒；大海有漫長(zhǎng)的歷史，誰(shuí)的固守都是一瞬間。因此，他們的價(jià)值都得由對(duì)手來(lái)證明?？梢栽O(shè)想，哪一天，胖老人見(jiàn)不到瘦老人，或瘦老人見(jiàn)不到胖老人，將會(huì)是何等惶恐。在這個(gè)意義上，最大的對(duì)手也就是最大的朋友，很難分開(kāi)。
兩位老人身體都很好，我想此時(shí)此刻，他們一定還坐在海邊，像兩座恒久的雕塑，組成我們心中的海參崴。
（選自《余秋雨散文》）
（二）江雪
柳宗元
千山鳥(niǎo)飛絕，萬(wàn)徑人蹤滅。
孤舟蓑笠翁，獨(dú)釣寒江雪。
（三）漁歌子
張志和
西塞山前白鷺飛，桃花流水鱖魚(yú)肥。
青箬笠，綠蓑衣，斜風(fēng)細(xì)雨不須歸。