星艦迷航紀之牽引光束!

你還記得科幻電影裡，當飛碟要接收物質或人員時，會直接從空中打下一道牽引光束來將目標吸上去嗎？（想想Star trek或是魔神英雄傳的龍王號）而現在，科學家真的做出了一台類似牽引光束的機器，不過是水波的版本～

讓我們先試著思考一下，當波由波源發射，一個在其路徑上的物體會往那裡跑呢？最直覺的想法，通常是物體會順著波前進的方向跟著移動，就像是沙子會被海浪沖上岸，或是衝浪者會順著海浪往岸邊靠一樣；但科幻電影中的牽引光束卻與這樣的想法完全相反，當牽引光束由飛碟發射，被照到的物體反而會像是被吸引般，朝著波源的方向移動。這真的有可能做到嗎？澳洲國立大學（Australian National University, ANU）的Michael Shats團隊設計了一套水波發射裝置，可以實現上面所述，直覺上看似不可能的牽引效果。

在實驗中，他們以乒乓球作為漂浮物，利用簡單的起波器，透過調整頻率和振幅來製造出特殊的波形，進而控制球的漂移方向：

「我們發現，這些複雜的、三維的波，會在水的表面構成特殊的波形。除了可以達到牽引的功能，也可以控制乒乓球往其他方向移動」Michael Shats說道。

目前對於這樣的水波形態研究，尚沒有成熟的數學模型來描述，這點不論對於該研究作者，或是對於筆者來說，都是一件十分驚訝的事。期望在不久的未來可以針對這樣的系統，與其波形移動造成的運動模型，有更加深入詳盡的分析。當我們可以深入了解背後的「為什麼」，才能有效調整其程式設計，創造出各式各樣能讓物質運動的波，進一步應用在，像是收集海上浮油等用途上。

延伸閱讀：

• 物理學家雙人組利用二道 Bessel 射束創造出牽引光束
• 星艦迷航紀之牽引光束!

參考資料：Generation and reversal of surface flows by propagating waves, Nature Physics, DOI: 10.1038/nphys3041

資料來源：Physicists create water tractor beam [PHYS.ORG, August 10, 2014]

紐約大學的 David Ruffner 與 David Grier 已開發出一種技術，利用 Bessel 射束（Bessel beams）將一個粒子朝來源拉過去。在他們發表於 Physical Review Letters 的論文中，他們描述如何使用他們的技術，將大小為 30 微米、懸浮在水中的二氧化矽球體拉向一個雷射光源。

一種利用能量將一物體朝光源拉過去的裝置因知名 Star Trek 中的虛構技術而被稱為「牽引光束（tractor beam）」。此類裝置迄今尚不存在，但 Ruffner 與 Grier 所完成的這項新研究證明，那是有可能辦到的！他們的研究是基於某種形態的雷射，稱為 Bessel 光束（譯註：Bessel 射束也可以是聲音輻射或重力輻射）。

Bessel 光束，以其創造者 Friedrich Bessel 為名，是某種雷射，那將光引導成圍繞某一單點的同心圓，而非成為一道光束。不像一般的雷射光束，來自 Bessel 光束，在其光點上的光不會繞射（diffracted，衍射），而且因為此光點是由來自同心圓的光所形成，如果它遇到路徑中的某一物體， 它能夠再形成（reform）（光點）。該團隊發現，此特性讓它夠拉動一粒子。

去年，一支中國的研究團隊算出，有可能將 Bessel 光束指向一粒子並以下列方式微調之：使光擊中前端後再形成，再成形然後擊中後端（to have the light that reforms after striking the front end, reform and strike the back end），那在理論上應當將粒子往回推向光源。最後結果看起來應該像是一道牽引光束。

在發現他們無法將 Bessel 光束調整到需要移動一粒子的程度後，Ruffner 與 Grier 試圖使用二道 Bessel 光束 — 以一個透鏡使光束稍微彎曲，導致它們重疊。那導致一種閃光燈效應（strobe effect，頻閃效應），光在粒子後端交替亮、滅，提供足夠能量將它朝原光源回推。最終結果是一套設備，以人眼觀看時，會產生把粒子朝來源裝置拉過來的錯覺，換言之一道牽引光束。

這兩人所建造的牽引光束將需要很多很多能量才能擴大到允許移動大型物體，而且如果這樣的裝置被造出來後，很可能在牽引過程中就會將這些物體摧毀。但那確實暗示，若使用其他能量強度較少的光源，這樣的裝置也許有可能會成真。

資料來源：Physics duo create tractor beam using dual Bessel beams. Phys.org [October 22, 2012]

轉載自 only perception