说光束有压力，或许不少人会感到奇怪。光束带来光明和热我们是感受到的，是太阳发射的光照亮了我们这个世界，让我们得以见到世间的繁华物茂；太阳落山了，世界进入黑夜，又是各种光源发射的光，驱散了黑暗，让我们得以继续生活和工作。近几十年我们又知道光束还可以产生电，太阳能电池以及太阳能电站是我们重点发展的绿色新能源。但是，至于说光束会产生压力，实际生活中我们却是没有这个感觉。我们从暗室走到有太阳光的地方，丝毫没有感觉到增添压力；而从明媚的太阳光下走进暗室，也丝毫感觉不到有所轻松。不过，光束有压力却是个不争的事实。 

    在17世纪，德国著名的天文学家约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler）在长期进行天文观察的过程中，发现彗星在经过太阳附近时，它的尾巴（即通常说的慧尾）总是背离着太阳。彗尾为什么会总是背离着太阳呢？其中一定存在某种来自太阳方面的作用力。开普勒猜测这是太阳光有作用力，把彗尾中那些碎块往外推开，才招致彗尾背离太阳。 　　

　　慧尾始终背离着太阳 

    后来，著名科学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦((James Clerk Maxwel )从理论上证明光束会产生作用力。麦克斯韦是伟大的英国物理学家，经典电磁理论的创始人。他从理论上证明光是电磁波的一种形式，并同时指出，当光束投射到物体表面时，光波的电场在被照射物体表面产生电流，以此同时，光波的磁场对这个电流又发生作用，这便构成了光波对物体产生作用力，根据这种相互作用，麦克斯韦还推导出一个计算光束对物体产生的作用力数学公式。当光束垂直照射到物体上时，在单位面积上产生的压力P＝E（1＋R）／c，式中E代表单位时间垂直入射到单位面积的光辐射能量 ，R 为物体表面的对光辐射的反射率，c为真空中的光速。根据麦克斯韦的这个公式，我们可以估计在中午时刻太阳光对地球表面产生的压力，大概是4.5×10^-6帕，或者说是千亿分之一大气压。如此微弱的压力，我们的感觉器官的确是感觉不出来，这也就难怪我们平时察觉不到光束有作用力了。在20世纪初，爱因斯坦（Albert Einstein）提出光子的概念，认为光是由一群没有静态质量但有动量的光子。当光束投射到物体表面时，光子与物体表面之间除了发生能量交换，还发生动量交换。入射的光子被物体吸收时，光子失去了它的动量，根据动量守恒定律，物体也必然同时获得了与光束传播方向相反、数量相等的动量，根据牛顿的动力学理论，动量的变化对应着作用力，相应地物体表面也就受到来自入射光束的一份作用力。根据这个道理也得到一个计算光束产生的作用力的公式，它与麦克斯韦根据光是电磁波得到的计算公式相同。 

    此外，科学家还设计实验装置，用实验方法显示光束产生的作用力。不过，这是一份十分精细的实验工作，因为要测量的作用力是非常微弱，需要排除各种干扰因素才可以得到真正属于光束产生的作用力。首先用实验显示光束存在作用力的科学家有俄国物理学家彼得·尼古拉耶维奇·列别捷夫（Pyotr Nikolayevch Lebedev,），美国科学家尼科尔斯（E.F Nichols）、霍尔(G. F Hull)等，他们独立设计的实验装置证实了光束存在作用力，并且测量得到的光束产生的作用力与理论计算的结果还非常吻合。 

    前面我们谈到过，光束的作用力与光束的强度成正比例关系，光束强度高，产生的作用力就高。以往我们能够制造的各种普通光源，它们的发光强度都不如太阳，而太阳光对我们所产生的作用力尚且已经是微不足道，利用普通电光源发射的光束产生的作用力就更微弱了。到上世纪60年代，制造光源的技术有了飞跃发展，人们发明了一种特别的光源，叫做“激光器”，它的发光强度比太阳还高亿倍，由激光产生的作用力就不仅显而易见，而且还非常巨大。现在的激光技术获得的激光，产生的压力可以高达几千亿大气压。 

    激光的强大力学效应，在许多技术领域发挥了重大作用，效益显著，而且有些工作还只有靠激光束的作用力才能够办到办好，下面介绍几个例子。 

    （1）利用光束的力学效应制作的“光镊子”，现在是生物科学家进行生物学研究不可缺少的工具。在生物研究工作中经常需要对细胞进行各种无损伤操作，比如“稳住”细胞以便对它进行仔细观察研究，测量其各种特性或者对其进行某些手术，甚至移动细胞内部某些器官；或者移动细胞，对其进行空间各种组合，构造不同式样生物组织等工作。细胞的尺寸很小，细胞里面的器官尺寸还更小，对它们进行操作需要用很精细的工具。更重要的细胞是生命活体，对它进行操作不能给它产生任何损伤，否则会影响它的发育、生长和生存。各种传统手术工具都是借助机械摩擦力“抓住”细胞的，以此同时也必然给细胞带来机械损伤。激光束经光学系统可以汇聚成尺寸很小的光点，做很精细的操作；其次，光束对物体施加的束缚力并非靠机械摩擦力，是一种非接触的作用力，不会给细胞带来损伤，对细胞的存活不构成威胁，实验资料显示，用光镊子对细胞操作后，细胞存活率在80%以上。科学家利用光“镊子”除了对细胞的运动状态和力学特性进行各种研究外，也实验研究了单个DNA的非线性弹性拉伸应变静力学特性，胶原蛋白分子的力学特性，以及单个肌肉纤维所产生的力；研究了抗原抗体相互之间的结合强度，研究了在细胞里面促使染色体运动的力的本质；对大分子、细胞做拉伸运动，对DNA分子施行扭转、打结，解开DNA的分子缠绕等操作。　　

　　利用激光束的作用力移动细胞内的细胞器 

    （2）利用光束的力学效应使原子、分子“安静”下来。原子、分子是不“安分”的，总是不停地在运动。温度摄氏20度的气体，原子运动速度高达每秒几百米，比喷气式飞机飞行速度还快。我们对原子内部世界的研究探测、对物质结构和物质成分的研究和分析等，大多数是从原子的发射光谱或者吸收光谱中获得信息的，原子不停的运动给它光谱带进许多额外附加量，掩盖了真正属于原子自身结构产生的光谱，因而也就限制了我们对原子性能和其结构研究，也限制了我们研究物质结构的分析精度。现在，科学家利用激光的力学效应，能够有效地制止原子运动，排除了由于原子运动带来的干扰，光谱分辨率比先前提高了亿倍。 

    现代科学技术发展，特别是航空航天的需要，人们需要计时准确度非常高的时钟。我们现在无论在世界任何一个地方，都可以知道自己准确的位置，误差不超过1米，海上航行的轮船，天上飞行的飞机，宇宙空间飞行的飞船，也能够准确地确定它们的位置，是靠一种称为“全球卫星定位系统”（GPS）给办到的，而它有这个本领，是靠了在系统内安置的那只计时准确的原子钟。在上世纪50年代初，科学家就知道利用原子可以做成一只计时准确的时钟。元素的原子的同位素全体原子都是相同的，它们的基态与激发态的能级间隔也相同，而且它们的能态稳定，或者说，原子从激发态跃迁返回基态或者低能态发射的辐射频率是稳定的，因此用原子发射的辐射频率来控制时钟，会得到很高的计时精度。但是，原子“不安静”对原子钟的计时精度会产生严重影响。现在，科学家利用激光的力学效应有效地控制着原子的运动，制成的空间原子钟的稳定度和准确度有望优于10^－17，大约是计时30亿年误差1秒。 　　

　　世界上目前最精确的铯原子钟－NIST F-1原子钟 

    （3）利用光束的力学效应实施惯性约束聚变。质量轻的原子核发生聚变反应时会伴随释放出巨额能量，科学家做过估算，利用目前地球上存贮的氘元素、氚元素和锂元素，通过核聚变反应过程得到的能量，会比全世界现有的能源总量还大千万倍，按目前世界能源消费的水平计算，足够供人类使用千亿年，可谓真的让我们找到了“取之不尽，用之不竭”的能源，从根本上解决了人类的能源问题了。然而，要让原子核发生聚变反应，用上这种核能却遇到极大技术难题。20世纪60年代初，科学家提出了"激光惯性约束核聚变"的设想，它的基本做法是：使用强大的脉冲激光束照射里面装上氘、氚燃料的微型靶丸，在瞬间把它加热到极高温度，并形成极高密度的等离子体，在这稠密等离子体扩散之前，完成全部核聚变反应，并同时释放出大量的聚变能。实施这个设想需要很高激光能量，大约需要100亿焦耳，这个数量大大超出了激光技术的能力。能否降低对激光能量的要求？科学家经过研究，发现通过压缩所形成的等离子体密度，可以大幅度降低需要的激光能量。如果把等离子体密度相对固体核材料密度提高1千倍，所需要的激光能量便可以降低100万倍，或者说只需要万焦耳左右的激光便可以，这个数量的激光能量目前的激光技术是有把握获得的。如何将等离子体密度压缩到千倍于固态材料的密度，这又遇到了新挑战。在自然界，太阳内部可以算得上是一个高温高密度的区域，其物质密度大约是水银密度的12倍，这么高的密度是靠3000亿个大气压实现的，而这个强大的压力则是由太阳自身巨大的重力产生的。如果要让等离子体密度比固体密度高千倍，估计需要给它施加大约10000亿大气压的压强，接近在白矮星中心出现的压强。要在我们的实验里用人工办法获得恒星中心那样高的压强，那是无法想象的事。不过，科学家们还是想出了办法，利用激光束的力学效应有可能实现，目前利用高功率激光器系统，已经可以对高温等离子体密度压缩到600倍于固态材料的密度。 　　

　　间接驱动压缩                   直接驱动压缩 

　　利用激光束力学效应压缩核材料高温等离子体 

    （4）利用光束力学效应迁移微粒子和做清洗。利用光束的力可以方便地抓住微粒，把它们进行各种安置，这在微电子工业生产中将发挥着重要作用。比如可以为芯片制造工程师提供一种把纳米元件移动到预定位置的新方法，制造以纳米管为基础的微型芯片。直径只有几纳米、长约100纳米的碳纳米管具有半导体性能，这种碳纳米管将成为制作低功率超快速计算机芯片的元件。目前，安装碳纳米管的唯一方法是利用原子力显微镜，这种方法操纵起来十分费事，而且这种设备价格昂贵。 

    在亚微米集成电路中，1微米大小的颗粒便会造成电路失效。在往后的发展中，0.015微米大小的颗粒也会造成电路失效，甚至会使集成电路的成品率下降50%。所以，清洗芯片颗粒的技术是集成电路能否深入发展的关键技术环节之一。目前的各种传统清洗技术中精度最高的是超声波清洗技术，但它也无法清除掉微电子产品中的次微米级(0. 5微米以下) 的尘粒；此外，该方法也需要用到清洗剂，容易给芯片造成再氧化。科学家现在都看好利用激光的力学效应进行清洗，或许也只有激光能够胜任精度如此高的清洗工作。 

　　清洗工作是文物保护过程中的重要环节。由于岁月年久，文物表面会附着一些有害的氧化物、盐、聚合物、尘粒、菌类以及一些有机物和无机化合物。它们不仅给文物蒙上了阴影，阻碍我们看清其真面目，而且还会不断发生侵蚀，最终使文物遭受损坏。特别是一些由铜、锡合金制造的青铜器出土文物，受古代的冶金技术水平的限制，它们的结构一般来说都比较松散，不是很紧密，因此比较容易受空气中的氧气和水蒸气侵蚀。所以，这类出土文物的锈斑一般都比较多，还有粉状的剥落物。如果不把这些锈斑或者剥落物清除，除了影响它们的美观之外，对它们的侵蚀范围会不断扩大，损伤范围不断地扩大。要保护它们完好，必需对它们进行清洗。但是，传统清洗方法用到文物上面来都不够理想，要么是无法满足高清洁度清洗要求,要么容易留下一些后患，要么导致环境污染。利用激光的力学效应做清洗工作，既能得到很高清洁度，又不会产生环境污染,也不会留下后患，可以说是清洗文物的理想技术。1992年9月，联合国教科文组织的世界文化遗产保护组织为纪念该组织创建20周年，对十分著名的英国亚眠大教堂进行了维修，亚眠大教堂西侧圣母门十分精美的大理石雕刻是工程的关键。在为期一年的圣母门维修工程中，维修人员借助激光光束除去了覆盖在大理石雕刻花纹上几毫米厚的黑色垢层，大理石表面原来的色泽重现出来，精美的雕刻重现光彩。 

　　此外，科学家还在研究利用光束的力把飞船送到太空，送往其他星球，以及利用光束的力制造新一代粒子加速器。高功率激光器输出的激光拥有强大的推动力，有能力推动飞船到以很高速度飞行。激光器是放置在地球上，或者在太空站，只要激光器能够正常运转，就可以连续、持久地为飞船提供动力，保证了飞船不断获得加速度，最终能够以极高的速度飞行，从而可以大大缩短了奔向到星球的旅途时间。如果飞船的飞行速度达到光波传播速度的30分之一，即每秒10万公里，利用激光的推动力这是有可能办到的，我们花2到3小时便可以到达火星。此外，飞船的动力是来自激光束，不是靠携带燃料获得，所以我们也用不着担忧飞船返回地球缺乏动力，保证了我们能够乘坐飞船返回到地球。这样，太空旅行的一切情况也就犹如我们在地球上出门旅游，太空旅游，探访各个星球世界也将成普通事情。从上世纪90年代开始，科学家便进行利用激光束推进激光飞船模型升空实验，1998年，美国科学家用脉冲二氧化碳激光器将直径14厘米、重50克的模型垂直自由升高4.72米，水平滑行121.3米；1999年，他们又用激光将直径为11厘米的模型发送到39米的垂直高度。2000年，进一步又将直径为12.2厘米、重50克的模型发送的高度提高到71米，在空中飞行了12.7秒，其意义不亚于当年莱特兄弟第一次驾驶飞机飞上天空。2001年，激光发送物体高度又进一步提高到150米。 

　　粒子加速器是我们挑战微粒世界的得力工具，借助于它让我们发现了许多“基本”粒子，包括重子，介子、轻子和各种共振态粒子，绝大部分新超铀元素也是通过粒子加速器发现的。粒子加速器还为我们合成了上千种人工放射性核素，这些东西在科学研究、生产建设和保障人们身体健康方面发挥着重大作用。利用激光的力学原理也可以制造粒子加速器，而且加速器的尺寸可以大幅度缩少，还可以加速中性粒子，比如原子，而传统的加速器这是做不到的。