本周，我们将通过回顾激光科学的历史和未来，来庆祝《裸科学家身上的激光》金宝搏app最新下载50周年。我们将听到激光如何彻底改变制造业，如何解决我们对清洁能源的担忧。此外，激光如何为高精度工业进行最精确的测量，以及激光镊子如何被用来操纵比红细胞更小的东西，并制造微小的工具。在《厨房科学》中，戴夫通过建造自制激光器，开始了他统治世界的计划!此外，鲨鱼是如何嗅出食物的，确保世界杯比赛安全的技术，以及深水地平线石油泄漏将如何影响路易斯安那州的湿地。
在这一集里
鲨鱼是如何嗅出零食的
众所周知，鲨鱼能够根据水中的气味找到下一顿饭，现在佛罗里达的研究人员已经发现了它们是如何做到的。
南佛罗里达大学的Jayne Gardiner和伍兹霍尔海洋研究所的Jelle Atema在《当代生物学》杂志上发表文章称，鲨鱼能够察觉到气味到达每个鼻孔的微小延迟——正是这一点，而不是化学物质的实际浓度，给了它们方向感。
大多数依赖气味的物种都配备了立体传感器——例如昆虫有两个触角，狗有两个鼻孔。长期以来，人们一直认为，这意味着物种可以以浓度为导向，找到气味的来源——如果左侧的气味比右侧的气味更强烈，它们就会“变成”浓度梯度。
在现实中，浓度梯度很少，如果有的话，那么简单。当化学物质分散在空气或水中时，不太可能形成均匀的梯度，而是以漩涡或漩涡的形式存在，有时浓度的峰值离源头很远。这意味着，仅仅跟随浓度梯度很可能会让你在原地打转——这不是一种有效的狩猎方式。
研究人员以光滑的狗鲨Mustelus canis为研究对象，在控制浓度和控制时间延迟的情况下，向每个鼻孔注入一种气味。他们发现脉冲的时间是最重要的，因为鲨鱼会转向第一个脉冲，即使第二个脉冲浓度更高。当延迟太长时，这种情况似乎就会中断——超过一秒钟，鲨鱼就很可能转向另一个方向。这意味着鲨鱼会沿着平均浓度梯度从一边游到另一边，而不会被小的局部浓度变化所阻挡。
研究人员现在想继续研究，看看鼻孔间距更宽是否能让鲨鱼在更快的速度下获得更高的精确度。锤头鲨有着独特的扁平头部，被称为头鳍，鼻孔之间的距离要大得多，所以即使它们的嗅觉器官和其他鲨鱼一样敏感，它们也能更好地探测到这些时间差，从而更有效地捕猎。
这一发现也有一些非常有趣的其他应用——它可以应用于水下转向算法，使无人驾驶的机器人船能够快速定位化学物质的来源，比如水下漏油。
吃饭还是睡觉?
这就是荷马·辛普森的困境——吃更重要还是睡更重要?如果哺乳动物被剥夺了睡眠，那么它们就会想要吃更多的东西来保持清醒，而由于饥饿而被剥夺了食物，它们就会保持清醒——大概是为了寻找更多的食物。但我们不太清楚这是如何控制的。显然，我们需要在两者之间取得足够的平衡，尽管你可以把它们结合起来——我梦见我在吃一个巨大的棉花糖，当我醒来时，我的枕头消失了!
不管怎样，现在美国的研究人员已经发现了果蝇中控制这种平衡的一些基因，这可能会揭示我们自己的饮食和睡眠模式。
这是Alex Keene和他的同事本周在《当代生物学》杂志上发表的研究成果。他们一直在研究被称为果蝇的小型果蝇的睡眠和进食周期。对于这类研究来说，它们是一个非常方便的模型生物，因为我们对它们的日常节律有很多了解，也就是昼夜节律。
科学家们发现，饥饿的果蝇对保持清醒有着强大的作用，这与哺乳动物一样。考虑到果蝇与人类和其他哺乳动物有很多共同的基因，这表明我们可能能够通过这些小苍蝇来解开睡眠和进食之间的基因联系。
科学家们扫描了果蝇的2000个基因，发现了十多个与睡眠和进食有关的基因。然后，他们将搜索范围缩小到两个，称为时钟和周期，它们也与苍蝇的日常节奏有关-它们也与包括人类在内的哺乳动物的日常节奏有关。为了进一步了解这些基因的作用，他们观察了在饥饿条件下携带和不携带这些基因的果蝇，以了解它们的睡眠时间。
但是你怎么知道苍蝇是否在睡觉呢?嗯，研究人员监测了苍蝇的运动——如果一只苍蝇没有规律地运动，那么它很有可能是在睡觉。
科学家们发现，与基因正常的果蝇相比，缺少生物钟和周期基因的果蝇在饥饿时睡眠减少了三到四倍。这告诉我们，这两种基因在帮助果蝇在饥饿条件下入睡方面发挥着重要作用，并可能有助于在任何给定时间协调睡眠和进食之间的选择。
因为生物钟和周期基因也存在于人类体内，并且有着非常相似的作用，所以这些基因也可能帮助我们协调饮食和睡眠。因此，对哺乳动物模型和人类细胞的进一步研究可能会揭示如何治疗睡眠障碍、代谢和饮食问题。但目前，这只是猜测，还需要做更多的工作。
蜜糖陷阱侦测蚊子病原体
澳大利亚的研究人员称，收集蜂蜜中的蚊子唾液有助于追踪它们携带的病原体。
昆士兰大学的Andrew Van Den Hurk和他的同事在《美国科学院院刊》上发表了一篇报告，详细介绍了如何诱使蚊子在蜂蜜浸泡的卡片上留下唾液样本。然后可以对这些卡片进行分析，找出任何存在的病毒RNA，让你精确地了解当地蚊子携带的病毒，而不必处理蚊子。
节肢动物传播的病毒或虫媒病毒是一个全球性的公共卫生问题，包括登革热、黄热病和西尼罗河病毒。对这些病毒的适当监测对于诸如疫苗接种等疾病控制战略至关重要，但是目前基于蚊子的调查技术“昂贵且在后勤上存在问题”——涉及收集和运输活蚊子。其他调查方法包括对受感染患者进行疾病诊断或监测“哨点”动物。
美人计法有几个优点。蜂蜜浸泡的卡片可以在不冷藏的情况下保存病毒RNA至少7天——即使在温带条件下(在西澳大利亚邦伯里附近的一个地点)和热带条件下(在昆士兰北部城市凯恩斯附近)进行测试也是如此。
蜂蜜本身是这个过程的重要组成部分，因为它在整个采集过程中保持湿润，确保蚊子能够接触到它们觉得非常有吸引力的液体糖。麦卢卡蜂蜜还具有抗菌特性，有助于保护病毒RNA免受细菌RNA酶的侵害，使样本保存足够长的时间进行分析。
在实验室测试中，通过向蜂蜜中加入蓝色染料，研究人员可以识别出哪些蚊子在喂食，然后将卡片上的病毒证据与传统的唾液样本进行比较——表明这种方法与传统的、更耗时的采样方法相似或更好的准确性。事实上，一些病毒颗粒甚至在蚊子没有吃任何蜂蜜的情况下就被传播了，因为一只受感染的蚊子只要探测食物来源就足以将病毒传播给易感宿主。
该报告表明，这种新技术对罗斯河病毒、巴尔马森林病毒、Chickungunya病毒和西尼罗河病毒有效，但是作者建议，它可以扩展到检测疟疾，或者与其他病毒载体物种一起使用。
11:39 - DNA末端可能是白血病的关键
DNA末端可能是白血病的关键
癌症是一种疾病，当细胞变得不朽和繁殖失控时就开始了。多年来，研究人员发现，这个过程中的一个关键部分——对于10种癌症中至少有8种——是端粒酶的开启，端粒是一种制造端粒的蛋白质，端粒是我们染色体末端的“帽”(有点像鞋带末端的塑料帽)。
没有端粒酶，我们的端粒就会越来越短，最终——当它们太短时——细胞就会停止分裂。这有点像一个分子钟，倒计时我们细胞的寿命。但是癌细胞重新开启端粒酶，所以它们可以继续繁殖。
现在，卡迪夫的科学家们在慈善机构英国癌症研究中心和白血病和淋巴瘤研究中心的资助下进行的一项新研究发现，某种类型的白血病实际上可能是端粒酶不够活跃的结果。
在Duncan Baird博士的带领下，科学家们正在研究慢性淋巴细胞白血病(简称CLL)患者的样本——这是一种影响白细胞的癌症，白细胞的繁殖失去控制。在《血液》杂志上，科学家们使用了一种新技术来精确测量癌细胞的端粒长度，并将它们与没有患病的人的血细胞的端粒长度进行了比较。
他们发现，在癌症的早期阶段，端粒酶似乎在癌细胞中活性不足，因此端粒变得越来越短。在这一点上，你会期望细胞停止分裂并死亡，但它们没有。
相反，染色体的末端开始粘在一起，导致奇怪的基因改变，进一步推动癌症的发展。但研究人员认为端粒酶在这一点上被激活，使基因怪异的细胞永生，并促进癌症的生长。
这是第一次发现这个过程发生在人类癌细胞中，所以这是非常重要的事情。更重要的是，这项研究可能会导致一种血液测试，通过测量端粒长度来监测白血病的进展速度，并帮助医生决定最佳治疗方案，或加快诊断速度。
科学家们现在正试图找出这是否与其他癌症有关——他们正在观察其他类型肿瘤的端粒长度，比如肠癌。目前，我们的工作还没有任何结果。但如果他们发现类似的机制在起作用，可能会开辟一条令人兴奋的新研究途径，这可能会导致未来的癌症治疗或诊断技术。
世界杯技术
与Kelvin Kemm，比勒陀利亚，南非
米拉——本周见证了足球史上一个历史性的时刻，世界杯首次在非洲国家举行。我采访了来自南非比勒陀利亚的Kelvin Kemm，了解那里的情况，以及南非如何利用科学技术来确保奥运会的安全，让尽可能多的南非人可以参加。
凯尔文:嗯，米拉，这里的每个人都为世界杯而疯狂。在大型电视桅杆和
手机信号塔那边的信号塔上有个巨大的足球。每个人都把足球扔得到处都是。你能想到的每一张海报上都有足球的图片。所有的队伍每天都在到达，每个队伍都在机场迎接，并在街上挥手。每个人都骑着车到处跑，车窗外都插着旗帜，所以现在到处都没有足球热，你哪儿也看不见。
米拉:有没有什么特别的科学或技术发展与世界杯有关，比如帮助人们观看比赛，甚至是出于安全考虑?
Kelvin:有一些有趣的事情。例如，一家公司将一些太阳能电视机带到偏远地区，这些地区没有通电，所以我们所有的当地村民都可以过来坐着看电视上的世界杯。另外，正如你提到的，关于安全性还有一些有趣的事情。那里有巨大的安全保障。例如，如果一架模型飞机起飞，一架无线电控制的飞机，目标是体育场，军事和安全指挥中心可以探测到这架模型飞机，并使其坠毁-如果它飞向我们的足球场。通过无线电干扰，他们会干扰无线电信号，这样飞机就会坠毁。
即使是跳垒员——每个跳垒员都必须注册，除非他们得到许可，否则不能在体育场的一定半径内跳，而在比赛中他们是不会得到许可的。
但无论大小飞机，从小型私人飞机到波音747飞机，每架飞机都必须获得许可，才能在游戏周围100公里的半径范围内飞行，每次飞越时，我们谈论的是成千上万次。每架飞机都必须单独认证，所有飞机都必须事先注册，这样他们就能确切地知道谁拥有这架飞机，它在做什么。所以任何奇怪的飞机都会被拦截。
另一件让全世界都期待的事情是将会有大量的电视报道——每个体育场每场比赛都有大约32台摄像机，通过一个专门为足球预留的巨大电视报道中心进行操作。所以它会24小时不停地向全世界发送电视。这将是南非有史以来最大的国际电视流量，这是对足球的报道。
评估石油对路易斯安那湿地的影响
Robinson Fulweiler博士，波士顿大学
本:除了铺天盖地的足球报道外，人们很难错过墨西哥湾石油泄漏的新闻。各种估计差异很大，但人们认为有数百万加仑的石油泄漏到海洋中。但这会对当地环境产生什么影响呢?罗宾逊·富尔韦勒博士是波士顿大学的一名研究员，她在那里研究湿地生态系统，比如路易斯安那州的湿地生态系统，这些生态系统可能首当其冲地受到石油破坏的影响。罗宾逊，非常感谢你来参加我们的节目。首先，你所观察的环境是什么，它们通常是什么样子的?
罗宾逊:我们对湿地环境特别感兴趣。这些是草木植被区有很多不同类型的植被既有湿地草，也有红树林，所以它们是非常动态的系统。通常情况下，我们预计每年的这个时候它们会长得很多。有很多新芽，所以很多亮绿色的东西出来了。当然，这些环境中充满了很多不同的动物，各种各样的鸟，鱼，蜗牛，所有不同的东西。
本:好的，实际上是一个生物多样性很强的地区。
罗宾逊:当然。
本:你怎么去评估像石油泄漏这样的事件对生态的影响?
Robinson:这是一个非常好的问题，我认为这将是一个具有挑战性的问题。首先，路易斯安那州的生态系统——湿地生态系统已经被研究了很长一段时间。我们有很多石油泄漏前的历史数据。现在，我们都在努力寻找受到影响的区域，并开始测量某些东西，看看石油泄漏后它有什么变化?所以我们收集样本，然后把它们带回实验室分析。
本:到目前为止，我们实际看到了什么样的破坏?
Robinson -这很难说。所以在某些情况下，这是很明显的。当你把船拉上岸时，你可以看到湿地草，它们的嫩芽被油覆盖着，为了让你了解油是什么样子的，就像你做圣代一样，它有焦糖，融化的焦糖和热巧克力。它的质地很好，很粘稠，很黏。
本，你说得很有吸引力，然而我想象的是，石油并没有那么好。
Robinson -不好吃。你不会想吃的。但这是我唯一能形容它有多粘的方法。所以它覆盖了很多草的嫩枝。你可以在一些动物身上看到。当然，你看过很多鸟类的照片，但是当你进入湿地，你甚至可以在螃蟹和蜗牛上看到它，还有所有的植物。我们甚至看到一些海豚的鳍上有这种东西。
在这一点上，我们知道它肯定覆盖了生物它也覆盖了沉积层，我对一些你看不见的生物很感兴趣，微生物群落我们现在知道石油只是在所有的沉积物和草上盖了一个盖子，这就是我们试图弄清楚它将如何影响系统的原因。
本:那么我们认为我们可以做些什么来弥补我们所看到的损害呢?
Robinson:这又是一个很难回答的问题。Irv Mendelssohn在YouTube上做了一个很棒的视频他来自路易斯安那州立大学，大家可以在谷歌上搜索一下，但是他坐下来，回顾了我们可以尝试补救这种情况的所有不同方法，可能有三种最常见的方法。
一种是——你可能也在新闻上看到过——你可以把油烧掉，他们在开阔的水域就这么做了。只要有一层水，你也可以在湿地上这样做。所以你现在烧掉正在生长的植被，但你也会把石油从土地上带走，如果石油没有渗入沉积物，根应该能够再生并再次生长。你可以这样做。
另一件事是添加营养物，如果你能添加氮和磷，你可以刺激湿地的生物活动，帮助微生物群落分解石油。
也许第三种方法就是让它顺其自然，随着时间的推移，人们的想法是，随着时间的推移，石油会开始降解并消失。
本:好吧，当然这些都不能立即解决问题，但是为什么这些环境对我们如此重要呢?我们已经讨论了一个事实，那就是有大量的生物多样性，但湿地对生活在那里的当地人也非常重要。但在全国范围内，湿地也是至关重要的。
罗宾逊:当然。我的意思是，对美国来说，这是一块重要的文化、自然和经济土地，我认为对整个世界来说都是如此。湿地对很多我们喜欢吃的鱼类来说都很重要，所以商业物种是好的。当然，它们对鸟类和许多育儿栖息地都很重要。
但它们对一些我们往往不会考虑太多的事情也很重要，比如营养物质的过滤。所以它们可以作为过滤器，去除人类排放到环境中的氮和磷等物质。所以，这是一种生态系统服务，也许它被忽视了，但它真的很重要，我们想象在这些湿地上放油会改变它们过滤营养物质的方式。
本:所以它对经济的影响可能比我们想象的要长一些。罗宾逊，非常感谢你来参加我们的节目。这是波士顿大学的Robinson Fulweiler博士。她一直在路易斯安那州评估墨西哥湾石油泄漏对生态的影响。
激光50年
与STFC中央激光设备的Graeme Hirst博士合作
Kat:本周，我们将庆祝激光诞生50周年，为了向我们介绍激光的背景以及目前正在进行的一些前沿应用和研究，我们邀请到了格雷姆·赫斯特博士，他是STFC中央激光设施激光应用的负责人。嗨,格雷姆。
格雷姆-你好，凯特。
Kat -让我们先问一个问题，什么是激光?什么是激光，它是如何工作的?
格雷姆:嗯，我想我们大多数人都知道这些东西长什么样。它是一个小盒子，里面会射出一束非常明亮的光，我猜你们想知道的是里面是什么。LASER这个词代表的是受激辐射的光放大。里面是一个放大器。这是一种你把一点点光放进去，就能得到更多光的设备。通常，这分为三个部分。所以会有一些东西做放大，一些材料。会有一种能量来泵浦这些物质使其处于激发态，这样它就能放大，通常会有一组镜子，镜子的作用是控制光束。而不是光以一种不受控制的方式从各个方向射出，你会得到一个漂亮的铅笔状光束。
所以你得到了一束非常强的光，可以用一种非常精确的方式来控制。我们可以使用哪种频率的光?我们在推特上收到了Klvn8r的一个问题，他说:“激光可以来自光谱中的任何地方吗?”
格雷姆-现在他们可以，是的。第一个激光器是在近红外波段工作的。它非常非常亮，所以你可能能看到它，但也就那么一点点。渐渐地，随着时间的推移，越来越多的激光器被开发出来，具有更广泛的可用颜色范围-更广泛的可用波长范围。这些天，范围是惊人的。就在去年，美国的一组科学家展示了一个非常高功率的激光器，它实际上是在x射线区域工作的。
凯特-我想这很有力量吧…
格雷姆-一件非常可怕的事，是的。
激光已经存在了大约50年。激光的背景是什么?我听说它们被描述为一种寻找应用的技术。它们最初是怎么被发明出来的?
格雷姆-是的!解决方案寻找问题。他们从对微波放大器的背景研究中成长起来，如果你喜欢的话，微波放大器是一种波长很短的无线电波，随着波长越来越短，光，如果你喜欢，只是一种不同的电磁辐射，在这上面有一种竞争，基本上是你能看到的第一个。泰德·梅曼在1960年，也就是50年前发明了这个红宝石激光器，这是你能看到的第一个激光器，他赢得了这个奖。从那以后，这些应用得到了极大的扩展。一开始，它们是一个非常有用的研究工具，但很快，人们就掌握了可以用它们切割和焊接的窍门你们会记得詹姆斯·邦德的电影《金手指》在那里切割和焊接是非常充分的。
凯特-当然。我们似乎确实看到了很多应用——从流行音乐会的激光表演，如果你追随时尚，激光切割鞋现在非常流行，你可以在你的眼睛上做激光手术，大概还有很多非常技术性的应用。如今激光的用途是什么?
格雷姆:什么都有。看看你的房子，你会惊讶地发现有多少东西是用激光做的。很好，所有的硅芯片，平板电视，就像你说的，很多东西都被砍掉了。我们正在开发一系列的应用程序。从使用激光到检查装有平板电脑的泡罩包装，只是为了确保平板电脑确实是盒子外面写的那样，一直到尝试-正如你在介绍中提到的，寻找世界能源危机。当我们不能再使用化石燃料时，我们该怎么办?
凯特:那我们怎么用激光制造能量呢?
格雷姆:嗯，如果你想想化石燃料，它们本质上是储存的阳光。我们现在在地球上使用的几乎所有的能量都是从一个阳光开始的这个过程，驱动阳光的自然过程被称为聚变。这个想法是使用高功率激光来控制地球表面的聚变过程。然后你可以取氢的同位素，你可以在聚变过程中将它们粘在一起，你可以制造氦，然后释放能量。这就是太阳工作的方式，这也是我们想要的方式。
凯特:我们收到了来自新西兰的保罗·安德森的问题，他说:“如果你在甜品中使用太阳能，那将需要巨大的电缆，非常昂贵的电缆来传输电力，但我们能把能量转换成激光束吗?”你可以用卫星把它弹回欧洲。你根本不需要电缆。”我们能用激光传输电力吗?
格雷姆:这是一个有趣的想法。是的，原则上你可以。人们已经将其用于许多应用。一个是，你能用它给卫星供电吗?卫星电力是一个艰巨的挑战，是的，原则上，它可以工作，但显然存在问题。你必须决定如何让你想要的人远离光束。这是一种不成文的规则，永远不要用激光瞄准你不想做的事情。所以，你必须要问你如何确保它不会出错。你还会遇到效率问题，因为即使是现在，即使有最好的激光器，它们也不能100%有效地将电转换成光，然后再转换回来。
Kat -关于“你不想让事情挡道”的问题，我们在Twitter上收到了来自DavidWhalley94的问题，他说:“如果你把两束激光直接照射到对方身上，会发生什么?”
格雷姆-这是个好问题。如果你把它们直接照射到彼此身上，那么很可能会破坏激光。但是如果你想象一下你要稍微调整它们的位置让光束交叉，但它们不会穿过对面激光的喉咙，然后如果你在真空中这样做，如果你只是让一束光束穿过另一束那么实际上什么都不会发生。一旦你达到了极端的物理条件，激光强度确实变得惊人——在我们做的一些实验中，我们正在达到这种程度——你可能会想象你可以扰动真空。你可以根据你需要的光强度来改变真空度。但最有趣的是，如果你把两束激光在某种材料上交叉，如果你这样做了，你可以通过材料的特性，通过结合两束激光，在材料上得到各种有趣的效果。
凯特-我喜欢极限物理这个概念。回到激光的应用上来，我们可以做所有这些事情，我们可以用它来看东西，我们可以用它来切割东西。到底是什么决定了单个激光的特性?你如何改变它们，调整它们?
格雷姆:嗯，比如说，如果你想改变激光束的颜色，那么你就必须改变产生受激辐射的物质。在过去，我们用过各种染料，从液体染料，到固体晶体，再到气体。这样你可以得到一系列不同的颜色。如果你想改变光束本身的性质，如果你想把它聚焦或者放大或者传播很远的距离，那么你就需要改变镜子。你可以改变光学系统或者装上其他的镜子。
凯特:所以基本上，你可以用激光做任何事情。有没有什么事情是激光做不到而我们希望它做的?
game -有很多。我们不仅在寻找激光的新应用，而且在“更好的激光”方面还有很多工作要做。就像我说的，最近在美国取得了引人注目的成果，将激光波长降低到光谱的非常短的部分。
凯特-你能用x射线激光做什么?
你能做什么?你可以用x射线光源做所有你能做的事情，只是快了一百万倍，一千万倍，一亿倍。例如，他们用它们来尝试x射线成像，他们试图探测元素的x射线特征。很多原本需要数周才能完成的科学研究现在几秒钟就能完成。
激光可以是任何光谱的光吗?
我们向来自STFC中央激光设备的Graeme Hirst博士提出了这个问题……
格雷姆-现在他们可以，是的。第一个激光器是在近红外波段工作的。它非常非常亮，所以你可能能看到它，但也就那么一点点。渐渐地，随着时间的推移，越来越多的激光器被开发出来，具有更广泛的可用颜色范围-更广泛的可用波长范围。这些天，范围是惊人的。就在去年，美国的一组科学家展示了一个非常高功率的激光器，它实际上是在x射线区域工作的。
我们能通过激光和卫星传输能量吗?
我们向来自STFC中央激光设备的Graeme Hirst博士提出了这个问题……
格雷姆:这是一个有趣的想法。是的，原则上你可以。人们已经将其用于许多应用。一个是，你能用它给卫星供电吗?卫星电力是一个艰巨的挑战，是的，原则上，它可以工作，但显然存在问题。你必须决定如何让你想要的人远离光束。这是一种不成文的规则，永远不要用激光瞄准你不想做的事情。所以，你必须要问你如何确保它不会出错。你还会遇到效率问题，因为即使是现在，即使有最好的激光器，它们也不能100%有效地将电转换成光，然后再转换回来。
如果你把两束激光直接照射到对方身上，会发生什么?
我们向来自STFC中央激光设备的Graeme Hirst博士提出了这个问题……
格雷姆-这是个好问题。如果你把它们直接照射到彼此身上，那么很可能会破坏激光。但是如果你想象一下你要稍微调整它们的位置让光束交叉，但它们不会穿过对面激光的喉咙，然后如果你在真空中这样做，如果你只是让一束光束穿过另一束那么实际上什么都不会发生。一旦你达到了极端的物理条件，激光强度确实变得惊人——在我们做的一些实验中，我们正在达到这种程度——你可能会想象你可以扰动真空。你可以根据你需要的光强度来改变真空度。但最有趣的是，如果你把两束激光在某种材料上交叉，如果你这样做了，你可以通过材料的特性，通过结合两束激光，在材料上得到各种有趣的效果。
测量用激光器
乔纳森·威廉姆斯和本·休斯，国家物理实验室
米拉:本周，我来到了米德尔塞克斯郡特丁顿的国家物理实验室，该实验室专门研究测量科学，也就是计量学，有趣的是，激光在这里进行的科学研究中起着至关重要的作用。乔纳森·威廉姆斯，量子和电磁部门的负责人，来告诉我更多。
乔纳森-国家物理实验室涵盖了所有物理科学的广泛测量。我们所做的是开发专门的技术来服务于广泛的应用，就像你提到的，从精密制造，到时间测量，再到医疗保健测量，这样人们在医院接受放射治疗时就能得到正确的治疗。
米拉:那么激光在这里是如何使用的，它们对这一范围广泛的科学研究有多重要?
乔纳森:对我们来说，激光的基本原理是它是高度柱状的，所以它以非常直线的方式传播，它也可以被构造成具有稳定的频率或波长，这是允许我们使用计量学的两个关键方面。直线运动很重要，因为这意味着你可以用它来测量距离，你也可以用它来测量距离。例如，你可以用它来扫描大气并测量污染物的数量，比如在炼油厂上方。这是一个类似雷达的原理，当然，雷达用微波来测量飞机。激光的等效技术被称为激光雷达，它有两个优点。它可以精确定位排放物的来源，比如碳氢化合物或二氧化硫，它可以告诉你那里有多少物质，也可以根据距离和角度准确地告诉你排放物的位置。我们设计了一种特殊的“激光面包车”，我们称之为国家物理实验室的激光雷达仪器，事实上，这种面包车可以在世界各地行驶，它可以从一个地方扫描整个炼油厂，它里面有一套非常复杂的激光器，可以精确地调谐到你正在寻找的大气污染物。
Meera -现在，当描述这些事情时，我想象一个恒定的激光束被用来进行所有这些测量，但你也可以用脉冲激光来工作。
乔纳森:没错。我的意思是，很多人认为激光是一个持续工作的设备，它一直在发光。但是你可以把它们设置成非常非常短的脉冲，短的是百万分之一秒，皮秒时间尺度。这在测量中也有广泛的应用。特别是，我们用这些非常短的脉冲来制造短的电脉冲，非常微小的电脉冲，然后这些被用来表征非常快的电子产品。
米拉-激光脉冲格式有什么应用?
Jonathan:现在让我们受益最大的应用就是通讯。现在很多通信都是通过光纤完成的。有些甚至进入了家庭，这些系统依靠非常短的激光脉冲以非常复杂的摩尔斯电码形式携带信息。所以我们在计量学中所做的是我们必须了解这些激光器的工作效果，它们的等效带宽是多少，以及它们的可靠性。
米拉:所以激光在这里的应用范围很广，在科学上的应用也很广泛，但你认为下一步激光的应用将会在哪里?
乔纳森:所以未来的科学前景是使用非常低强度的激光，小到可以分解成最小的组成部分，我们称之为光子，这样你就有可能把单个光子作为信息发送，你可以用一种非常安全的方式进行通信，你可以把你的信息作为一系列的一个或零光子发送。这很有吸引力，因为从理论上讲，这是一个牢不可破的系统。
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Meera -当谈到测量时，激光的一个关键应用是长度测量，现在和我一起解释更多关于这一点的是Ben Hughes，他是尺寸测量组的首席研究科学家。本，我们大多数人可能都很熟悉的事情是我们会看到路边的测量员，拿着某种手持激光设备或者房地产经纪人在房产周围闲逛，测量房间的大小。那么这些仪器是如何工作的呢?它们通过使用激光来测量什么呢?
Ben:你提到的房地产经纪人可能会使用的手持设备是基于飞行时间测量的，它基于距离等于速度乘以时间的原理，我们非常准确地知道光速。所以我们要做的就是测量光脉冲从设备到达房间另一端的墙壁，再返回的时间。现在考虑到光速很高，每秒3亿米，这意味着，比如说，绕一圈，比如说，一米远的墙需要大约6纳秒。你需要一些非常快的电子设备来计算这么短的时间。你的测量分辨率大约是50毫米，所以这就是这些设备运行的精度。
Meera -这只是测量长度的一个应用。我们在国家物理实验室的长度实验室里在这里，你可以用一个更大的设备来测量我们面前的这个设备是一个激光跟踪器它可以测量像飞机一样大的东西。
本:这个激光跟踪器发出一束细的铅笔状激光。现在你可以把激光想象成一把尺子。在传统的尺子上，刻度的间距可能是毫米。在这把尺子上，刻度的间隔正好是光波长的一半。现在，在我们这个特殊的激光器上，波长是633纳米，也就是0.000633毫米。这意味着每一次毕业都是315到316纳米的一半。现在我们用激光跟踪器可以做的是我们可以用激光束来跟踪一个反射球，当我们把它移动到我们的物体上时，激光跟踪器会在激光束上计算这些刻度。所以它得到了一个非常精确的测量我们移动球的位置。
米拉:现在你有了这个跟踪球，这是一个反射球，在我们面前，它的直径只有一英寸半。产生激光的实际设备只是静静地放在桌子上。激光击中这个球，然后基本上停留在这个球上，所以当球四处移动时，它一直吸引着激光。
是的，它有一个有效的传感器在跟踪头，可以看到球在哪里，可以引导激光束跟随球在任何时候。
米拉:就在我们前面，有一个金属块，所以，如果你想准确地测量它的高度，你只需要把这个反射球放在它的底部，然后放在它的顶部，然后你就会知道这个距离是多少。
本:没错。在这两点上，我可以测量球的坐标，然后从这两点的坐标，我可以算出高度。
Meera -那么它是如何应用于航空业的呢?
本-飞机需要一些非常严格的公差制造。你会看到人们在飞机工业中使用激光跟踪器，例如，将用于测量飞机机翼后缘铰链单元的对齐。例如，襟翼的铰链单元。你可能会发现人们在机翼表面爬来爬去，测量空气动力学剖面因为这非常重要，尤其是靠近飞机机身的地方。
米拉:这是一个非常有趣的图像，看到有人站在机翼上，拿着这个很小的球来精确测量它。
Ben:当你坐在那里看着别人这样做的时候，你会觉得很奇怪，因为他们看起来像是在清洁机翼，而实际上，他们在做非常精确的测量。
米拉:它还可以用于哪些行业呢?这种方法的其他应用是什么?
例如，航天工业用它们来校准卫星上的部件。让质量分布正确是非常关键的让推进器通过航天器的质量中心对齐这样当它们发射时，就不会旋转到无限大，所以任何制造大型物体的区域都需要非常高的精度。
使用激光作为镊子
布里斯托尔大学的大卫·卡伯里博士
现在激光的许多新应用之一是在建造非常非常小的机器。用一个小设备制造一个更小的设备，以此类推，直到原子水平，这是诺贝尔奖得主物理学家理查德·费曼的梦想，他激励了许多研究人员去尝试找到一种方法。现在，当处理微小的物体时，你需要微小的工具，激光是非常好的镊子。为了弄清楚它们是如何工作的，我去了布里斯托尔大学，会见了物理学家大卫·卡伯里博士。
大卫:我们研究的目标是追随费曼的梦想。所以这就是你用一个大机器制造一个小机器，再制造一个小机器，直到最终，你可以控制单个原子。我们还没到那个阶段。但我们正处在一个可以制造微型机器的阶段。我们目前正在使用一台大型机器，它使用聚焦的激光束来操纵周围的小粒子。
本:所以为了实现你的梦想，你需要能够在很小很小的范围内操纵东西，而你实际上是把光束当作镊子来使用?
大卫:完全正确。
本:当然，镊子一定是某种比光更坚固的东西吧?
大卫:这真的是一束聚焦的光。想象你有一个玻璃球
在你面前。如果你用激光束穿过它，它会向中心弯曲。这意味着动量发生了变化，一定是传递给了玻璃球。就拿在手里的玻璃球来说，动量转移的量，你无法检测到，但对于非常小的物体，大约一个红细胞大小的物体，它会产生非常大的影响。它移动到激光束的焦点这是一个光阱或光镊。
本:那么你的系统，全息光学镊子，它们是如何工作的?你从哪里开始呢?
大卫:最简单的方法是将激光束直接射入显微镜。它通过一个非常大的物镜，所以数值孔径非常大，放大倍率非常高，如果激光足够强，就会形成一个光学陷阱。你通常需要大约50毫瓦的基本光阱。为了说明需要多大的放大倍率，你有一个100倍的物镜，它将5毫米的激光束聚焦在大约100微米的距离上，也就是一根头发的厚度。它非常集中。但这绝对需要形成一个足够锐利的激光梯度来将粒子保持在激光焦点上。
本:所以你可以非常紧密地聚焦激光，这意味着你可以把一些东西放在你所谓的光阱里。但是为了构造东西，你肯定需要把不止一个东西组合在一起，所以你需要不止一个激光?
大卫:没错。但严格来说，我们只需要一个激光器。如果我们使用全息图，我们可以把一束激光分解成几个传出的部分，我们可以控制从中发出的光的模式。所以，当激光反射时，它会自我干扰就像你在海滩上看到的那样，波浪会相互干扰，然后我们可以用这个来重建几个激光束在我们物镜的焦点上。
本:听起来真是不可思议，但也很复杂。你究竟如何控制它?你是如何把两件事结合起来的?
大卫:我们有很多方法。第一个很简单。你有一个。
用鼠标在屏幕上标出几个点，你点击你想要的光阱，然后把它移到另一个光阱附近。还有一个我们有特殊的手套，你可以戴上，你可以移动你的手指靠得更近，你可以在屏幕上移动它，你可以移动粒子靠得更近。但我们最新的东西，我们有一个触摸屏，我们可以用多个手指触摸。无论我们把手指放在哪里，我们都会形成一个光学陷阱，我们可以实时操纵它，我们可以开始组装，我们可以开始做任何我们选择的事情。
本:我能试一下吗?听起来你不需要太多的培训。
大卫-我可以教你所有你需要知道在30秒内使用这个多点触摸。让我们试一试。
这时，大卫带我进了激光室。全息组装器本身被安置在一个大盒子里，因为激光的威力足以造成永久性的眼睛损伤。在盒子的顶部是一个显微镜，上面有一个摄像头对准激光可以移动的微小玻璃珠。然后，摄像头传回的信息会被传送到电脑上，在那里你可以实时与珠子互动。
大卫:这是我们的多点触控桌子，如果你把手指放在上面，你就能操纵屏幕上的玻璃球。
本:那么这是否意味着当我按下这里，移动手指时，我实际上在显微镜上拖着一个小玻璃球。
大卫:完全正确。
本:这些有多大?
大卫:这些大约是2微米，大约是红细胞大小的三分之一，但让我们从长远来看。其中一个比人类头发的宽度还小50倍。
本:所以这些真的很小。下一阶段是什么?你们下一步希望开发什么?
David:下一个阶段是开发更多的应用程序。我们目前正在研究两个不同的项目。我们正在尝试制造一些纳米工具。如果我们用纳米棒，用两个这样的玻璃球，我们可以把它们粘在一起，形成一种尖棒，我们可以很用力地戳进另一个物体。所以当我们戳细胞的时候，我们就能感觉到它受到的力。
这就能告诉我们细胞膜的强度我想这是我们以前从未测量过的东西。
大卫:我们可以用原子力显微镜来测量，但这是假设它在表面上，而事实并非总是如此。有时你有漂浮在溶液中的细胞你想在自然环境中测试它们，所以你不想把它们粘在上面。
本-让我们看看一些你已经能够建立的东西的视频。这是什么?它非常漂亮，似乎是一系列相连的环，几乎像奥林匹克标志一遍又一遍。
大卫:没错，但这些不是戒指，而是我们刚才在屏幕上操纵的玻璃球。在自然界中，如果你开始组装它们，或者你把它交给重力，它们会形成一个紧密排列的结构你可能都看到过一堆啤酒罐。你把它们都堆起来，它们都能塞进彼此的洞里。所有的球都是一样的。你可以用同样的方式设置它们，但是我在屏幕上看到的是，我故意省略了其中的一条线，所以如果你有一堆罐子，我们现在故意去掉了一条线，如果我们用不同频率的激光束照射这里，一些激光会被反射，一些会透射过去，一些会绕过角落，这就是光子晶体。
本:因为我们在玻璃珠的中间有一个间隙，所以你会得到一些非常特殊的与光的相互作用。这有什么用?
大卫:过去，我们在电子学方面有非常类似的东西，我们最终形成了晶体管。现在，这一技术已经对电子工业产生了革命性的影响。我们希望像这样的光子开关能继续发展下去，给下一代设备带来革命性的变化。
本-来自布里斯托尔大学的大卫·卡伯里博士就如何利用光镊制造用于光和纳米工具研究细胞的晶体管进行了演讲。
激光可以用来清除涂鸦吗?
我们向STFC中央激光设备的格雷姆·赫斯特提出了这个问题……
格雷姆:是的，可以。它们已经在这个应用中使用了，当然是用于清洗昂贵的东西。窍门是选择激光，使激光的颜色与涂鸦墨水的颜色相匹配。然后可以用来加热涂鸦墨水，在不加热墙壁的情况下将其吹离墙壁。所以，是的，这是一个非常干净的解决方案，可以从昂贵的东西上清洗脏东西。不幸的是，这并不总是便宜的，你必须确保周围没有人。本:-你是不是也可以用激光看穿颜料，并试图发现画作中的欺诈行为?格雷姆:是的，你可以。同样，你选对了颜色。现在，你要做的是选择一种不被顶层涂料吸收的颜色，这样它就能直接穿过。它会被稍微低一点的东西吸收，它会反弹回来不管它在不在那里，你都会得到反弹与否通过绘制反弹图，你可以看到油漆层下面的层。
激光有害吗?
我们向STFC中央激光设备的Graham Hirst提出了这个问题…
格雷姆:嗯，有些人喜欢。这不仅仅适用于激光。事实上，你会知道，如果你有一个非常非常强大的火炬，你会被警告不要把你的手直接放在它前面，它也会散发出很多热量。这确实反映了一个事实，即热辐射形式的热和光是同一种物质。如果你喜欢，光会变成蓝色、绿色、黄色、橙色、红色、红外线、热能。你也可以得到在光谱的热部分工作的激光器。其中一些确实有很长的波长，例如切割和焊接激光在最强大的一端可以发出10,000瓦的热量。
用最好的激光，你能从地球聚焦到月球上多小的一个点?
我们向STFC中央激光设备的格雷姆·赫斯特提出了这个问题……
格雷姆-你试图对抗一种叫做衍射的东西，这取决于你能让你的激光束在地球上有多大。一个粗略的计算——激光每10米散布一个波长。它到月球有40万公里。(在月球上)你可能会看到直径约40米的物体。用足球来比喻，我们看到的是18码盒子两倍大的东西。
移动的光源有多快?
我们向剑桥大学的多米尼克·福特提出了这个问题……
多米尼克:-我是剑桥物理系的多米尼克·福特。你可能有过这样的经历:一辆消防车从你身边开过，当它向你驶来的时候，你听到了它的声音很高。当它离开你的时候，你会听到它的声音很低。这是因为声音是一种波，而多普勒效应表明，当你相对于声源移动时，频率会发生变化。
光也是一种波，它也表现出多普勒效应。但你必须以非常快的速度行进才能看到效果。因此，如果你以接近光速的速度驾驶汽车，外部观察者会看到你的前灯看起来比正常情况下更蓝，你的后尾灯看起来比正常情况下更红。司机自己实际上不会看到任何与正常情况不同的东西，因为他没有相对于光源移动。就像消防车的司机听到警报器的音调恒定一样，因为他没有相对于警报器移动。然而，向窗外看，司机会相对于他经过的任何风景而移动，他会看到他前面的物体比正常情况下更蓝，他后面的物体比正常情况下更红。
当然，如果物体运动得非常快，例如，一架飞机以接近音速的速度运动，就会产生音爆，光也会产生类似的效果。但不幸的是，爱因斯坦的狭义相对论说，你需要无限的能量才能使物体以光速运动。所以，你永远不可能真正到达那里并观察到这种效果。
有一个例外，那就是当一个相对论粒子在像玻璃这样的材料中运动时，光的传播速度略低于光速——听起来很讽刺，但这是真的!当粒子产生一种叫做切伦科夫辐射的辐射时，这种辐射会以闪光的形式出现，在视觉上相当于音爆。Diana: -对司机来说，如果他或她有无限的能量，到那时还没有爆炸，灯光看起来就会很正常。对于观察者来说，如果可能的话，会有蓝色前灯和红色尾灯变得更红的颜色变化。如果物体的运动速度比光速快，就会产生切伦科夫效应，光世界的音爆，你可以在一些核反应堆的房间里看到它发出的蓝光。
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