在1966年开播的经典科幻剧集《星际迷航》（Star Trek）中，牵引光束（Tractor Beam）是一种神奇的存在——它能隔空捕获飞船、小行星，甚至将宇航员安全拉回母舰。这种“非接触式操控”曾是无数科幻迷心中遥不可及的梦想。

图1：《星际迷航》中的牵引光束。

然而，就在20世纪70至80年代，科学家真的造出了一种“光之手”，虽不能拖动星舰，却能稳稳夹起病毒、细胞，甚至单个分子。这就是光镊（optical tweezers）——一束聚焦激光，在微观世界里实现了《星际迷航》的幻想。

2018年，96岁高龄的物理学家亚瑟·阿什金（Arthur Ashkin，1922-2020）因发明“光镊”并将其应用在生物系统中而获得诺贝尔物理学奖^[1]。

图2：得知获奖时，阿什金正在他家地下室的自制实验室里。

一束光的梦想

1960年代，《星际迷航》刚刚开播，而阿什金正在贝尔实验室里思考一个看似天真的问题：“如果光真的能推动物体，哪怕只是微小的粒子，那会怎样？”

我们知道阳光携带能量——晒在皮肤上会发热；但很少有人意识到，光其实也携带动量。当光子撞击物体时，会产生极其微弱的“辐射压力”。

对人类而言，这力小到可以忽略不计；但对微米级甚至纳米级的粒子来说，这股力量足以改变它们的命运。

1960年，第一台激光器问世。与普通白光不同，激光高度相干、方向性强、能量集中。阿什金立刻意识到：这是实现“光之手”的理想工具。

他将一束激光照射到悬浮在水中的微米级透明小球上。结果令人震惊：小球不仅被推动，还被牢牢“吸”向光束中心——那里光强最大。这是因为光束强度从中心向外递减，粒子两侧受到的辐射压力不平衡，从而被推向高光强区域。

为了在纵向也实现捕获，阿什金加装了一个强聚焦透镜。粒子随即被牢牢“钉”在焦点处——一个三维的光学陷阱诞生了^[2][3]。这就是后来被称为“光镊”的雏形。

图3：阿什金制造了一个光陷阱，后来被称为光镊。

偶然发现的生命

起初，阿什金的目标是操控原子。但这条路充满挑战：原子太小、热运动太剧烈，需要先将其冷却到接近绝对零度。1985年，他与朱棣文（Steven Chu）等人合作，利用多束激光形成“光学黏团（Optical Molasses）”，成功将原子减速并捕获^[4]。这项工作为朱棣文赢得了1997年诺贝尔奖。

图4：从右至左：阿什金、朱棣文和比约克霍尔姆（John Bjorkholm），摄于1986年，大约在首次演示原子捕获技术前后。

然而，阿什金真正的突破，竟来自一次“实验事故”。

1986年，他尝试用光镊操控烟草花叶病毒。某天清晨，他发现样本中出现了奇怪的“大颗粒”——原来是一夜敞开放置后，空气中飘入的细菌在培养液中繁殖。更令人惊讶的是，这些活细菌竟被激光束捕获了！

但绿色激光会杀死它们。阿什金灵机一动，改用红外激光——能量更低、对生物更温和。奇迹发生了：细菌不仅存活，还能在光镊中游动、分裂，甚至被反复捕获释放^[5]。

“Steven，你肯定不信，我发现了生命！”他冲进朱棣文的实验室，双眼放光地宣布。

从此，光镊不再只是物理学家的玩具，而成为生物学家的利器。阿什金证明，可以在不破坏细胞膜的前提下，用光镊探入细胞内部，操控细胞器、病毒、DNA，甚至测量分子马达产生的力。

从生命科学到量子前沿

光镊的力量虽小——仅在皮牛（10⁻¹²牛顿）量级——却足以研究生命最精微的机械：比如驱动蛋白如何沿着微管“行走”，RNA聚合酶如何转录基因，或DNA如何被拉伸、折叠。

如今，科学家们常将目标分子连接到微米级小球上，再用光镊“夹住”小球，如同用镊子夹起一颗芝麻。通过测量小球的位置变化，就能精确反推出分子所受的力——精度可达原子直径级别。

技术也在不断进化。借助全息光学技术，一束激光可被调制成数千个独立光镊，同时操控成千上万个细胞。这项技术已被用于分离健康红细胞与疟原虫感染细胞，为疾病诊断开辟新路。

如今，光镊已广泛应用于：

随着技术不断演进，光镊的应用也从生命科学进一步拓展至量子科技前沿。如今，光镊已成为中性原子量子计算最关键的核心技术之一，用于精准捕获、排列并重构规模庞大的原子量子比特阵列。在这一方向上，2025年九章团队取得重要突破：基于光镊阵列技术，在仅60毫秒内构建出多达2024个原子的无缺陷二维与三维原子阵列，刷新了中性原子体系无缺陷阵列规模的世界纪录^[6]。

 图5：二维光镊阵列中的“薛定谔的猫”。

是时候，让科幻照进现实课堂了

阿什金在贝尔实验室里用激光和小球探索光的力量时，他或许未曾想到，这项技术会在几十年后成为生物学与量子科技的核心工具。而今天，你不再需要复杂的实验设备和昂贵的激光系统，就能将这一诺贝尔奖级别的技术引入课堂。

九章量子光镊教研系统，将阿什金半个世纪前的开创性发现，浓缩成一个桌面级、即插即用的教学平台。在传统光镊只能“抓”的基础上，我们创新性地引入涡旋光镊。学生不仅能观察粒子被光捕获，还能体验涡旋光束如何让它旋转，从而直观理解光学角动量与微观力学。无论你是想验证光阱效应、探究涡旋光束的奥秘，还是测量细胞膜弹性，这个系统都能满足你的需求。

图6：光镊教研系统。

现在预约样机，下周学生就能亲手操控一束光——托起微粒，也托起他们对科学世界的好奇与探索。

参考文献：