微牵引力测定仪

实现与科幻作品所描述相同的简单情形2013年01月29日 来源： 中国科技网 作者： 张梦然 中国科技网讯 在“光镊”已于医学领域大行其道的今天，真正的“牵引光束”却还是纸上谈兵吗？据英国《每日邮报》和《物理世界》杂志在线版1月26日消息称，英国圣安德鲁斯大学团队与捷克科学仪器研究所（ISI）经过多年的努力，首次实现在微观层面上真实牵引目标物体——聚苯乙烯颗粒向光束源移动，建造了与科幻作品所描述相同的简易版“牵引光束”。但在能吸引一艘飞船之前，该成果将首先应用于医学领域。相关研究发表在《自然—光子学》杂志上。 “牵引光束”这一名词来自科幻作品。在人们的构思中，该装置能够突破引力范畴，将物体牵引到自己身边，看上去就似“隔空取物”。其出现的经典场面，如《星际迷航》系列中利用光束将星舰吸引到安全地带，及《星球大战》中千年隼号飞船被牵引光束拉进死星的情景。这种可怕的力量被认为是一束高密度的引力子流，能产生高强度的引力波和引力场，将目标物体吸引过来。 不过，一直屡有报道的“牵引光束”，其实多是建立在光辐射压原理上利用光去移动物体，实际应用已并不新鲜，目前强大的“光镊”正被广泛地应用于操作细胞甚至是纳米水平的物质。但其“把持”住目标物体的关键仍是利用激光的焦点，想要移动物体，首先要移动焦点。 但根据真正“牵引光束”的理论，光束可以使目标物体向光源方向移动而不需调整焦点。在现有技术层面，这一领域的探索可谓进展缓慢，因为创建“牵引光束”要面临的挑战相当直观：当光流碰到物体时，固体物质会带走光子流，这是绝大多数光场中都会发生的情况。 在过去3年左右时间里，科学家证明了在一定参数下以上情况会反转。由此才没有放弃追逐科幻作品中描述的真正“牵引光束”。就在几个月前，纽约大学物理学家大卫·格里尔已经铺设好理论并为其架构了一个十分近似的模型，而此次英国与捷克团队则在实验室中完成了这个简易版本的“牵引光束”。 实验中，作为目标物体的聚苯乙烯颗粒大小不等，分别是400纳米和1000纳米。研究人员使用两束激光与一个透镜替代了基于贝塞尔光束的光场，构建起的光束不但可吸引这些颗粒，还可通过调整光束实现只吸引400纳米的颗粒或是只吸引1000纳米的颗粒。 研究人员表示，此次运用的概念允许更大力度的“牵引光束”，也允许人们在更大程度上控制光偏振。尽管目前作用目标只能是有限的微观粒子，但仍成就斐然，新成果首先有望惠泽医学和微生物学等领域，改善血液测试及大力提高人们诊断疾病的能力。 而据福布斯新闻网称，有志打造此类“牵引光束”的还包括美国国家航空航天局（NASA）。NASA自2011年起一直想方设法让科幻中能使巨大物体突破引力范畴的“牵引光束”装置成为现实，以用其远程捕获行星或大气粒子，送到漫游机器人或轨道航天器上去加以进一步分析。但人们相信NASA的野心绝不止于牵引回来一点点星际灰尘，而是巴望着有朝一日仅用光束就能移动太空飞船。（记者 张梦然） 《科技日报》（2013-01-29 一版）

2012年08月23日 07:50 环球科学杂志微博 http://i2.sinaimg.cn/IT/cr/2012/0823/3567985218.jpg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。

万有引力常数又称重力常数，即万有引力定律中表示引力与两物体质量、距离关系公式中的系数。万有引力常量是自然界中少数几个最重要的物理常量之一。　　其值约等于6.67259×10^(-11)N·m²/㎏²,　　它是在牛顿发现万有引力定律一百多年以后，由英国物理学家卡文迪许于1798年巧妙的在实验室里用扭秤测定的万有引力常数，从而算出地球的质量和密度。　卡文迪许扭秤的主要部分是一个倒挂在金属丝下端的T形架，T形架水平杆的两端各装一个质量为m的小球，T形架的竖直杆上装一块小平面镜，两个小球由于受到质量均匀为M的两个大球的吸引而转动，使金属丝发生扭转，当吸引力的力矩跟金属丝的扭转力矩平衡时，T形架停止不动。根据平面镜反射的光点在标尺上移动的距离可以算出金属丝的扭转角度，结合实现测定的金属丝扭转角度跟扭转力矩的关系，就可以算出扭转力矩，从而算出引力F和引力常量。卡文迪许测定的引力常量G=6.754×10^(-11)N·m²/㎏²。在以后的八九十年间，竟无人超过他的测量精度。　　卡文迪许把他的这个实验说成是“称量地球的重量”（应该是“称量地球的质量”）。有了G值以后，我们可以“称量”出太阳或者其他星球的质量。　　引力常数的测定是验证万有引力定律的一个重要实验，它使万有引力定律有了真正实用的价值。　　但是万有引力常数G是现在众多自然常数中精度最差的，现在的测量最高精度是13个ppm，是利用角加速度法测量的。　　我国在精密测量方面在世界上也占有一席之地，中国计量院，华中科技大学引力实验室等都是我国精密测量的点。国内最主流的还是采用周期法来测量万有引力常数。　　在牛顿得出行星对太阳的引力关系时，已经渗入了假定的因素。卡文迪许在对一些物体间的引力进行测量并算出引力常量G以后，又测量了多种物体间的引力，所得结果与引力常量G按万有引力定律计算所得的结果相同。所以，万有引力常量的普适性成为万有引力定律正确性的见证。这些很厉害，几百年前做得事情，今天的人都不一定能做到，还有人在嘲笑和怀疑前人，可悲啊