早上冲杯咖啡，握着马克杯的手心都暖烘烘的，轻轻转一下勺子，液面立马旋出个小漩涡，浮着的糖粒“嗖”一下就被卷到杯底，这场景天天见，没人会特意停下琢磨。

可最近物理学领域的新研究却揭开了个有趣的真相：光居然也能玩这一套，不光能像咖啡旋涡那样“转圈圈”，还能拧成“麻花”往前跑，它旋转的规律竟和自然界里藏着的数学门道严丝合缝。

今天咱们就来唠唠，光到底还有多少未被熟知的“本事”，以及它与自然之美碰撞出的那些巧妙关联。

能“拐弯”的光束

打小课本里就讲“光沿直线传播”，影子的形成、小孔成像的原理，都是这一规律的直观证明，久而久之，这成了人们根深蒂固的常识。

但如今光学领域的专家们早已突破这一局限，想让光线弯着走，它就能像平抛运动的小球那样划出弧线，这种光束被称作“艾里光束”，想让它绕着传播，它能像螺线管般缠成圈。

这些打破常规路径的光束，有个统一的名字：结构光束。

让人意外的是，这些光束的“花式走位”并非依赖特殊介质，就是在普通的自由空间里实现的，没有玻璃的折射干扰，没有磁场的外力牵引，仅凭专家对光束“初始参数”的精细调整。

科学探索最迷人的特质，正在于不断打破人们固有的“常识”：从前人们认定光只能走直线，就像默认水只能往低处流，可如今的研究证明，只要找对方法，连光这种看似“死板”的存在，都能展现出灵活的传播形态。

而且结构光束早已不是实验室里的“稀罕展品”，而是逐渐走向实际应用。

比如艾里光束，如今已被应用在生物显微镜领域：观察生物组织时，难免有细胞或杂质遮挡光线，艾里光束能巧妙绕开这些障碍，直接“抵达”目标观察区域，让显微镜的成像更清晰、准确。

还有能“绕圈传播”的结构光束，在光纤通信领域也展现出潜力，传统光纤中的光线容易因“撞击”管壁产生损耗，而这种绕圈传播的光束能减少损耗，让信号传输得更远、更稳定。

聊完结构光束，就不得不提比它们更具“惊艳感”的“涡旋光束”。

涡旋光束

要理解这种光束，不妨先从身边的自然现象入手：拔掉浴缸塞子，水不会径直往下流，而是绕着排水口旋转，逐渐形成漩涡；天上的台风、云层的旋转，也是类似的涡旋形态。

这种“涡旋”其实是自然界的“常客”，大到台风的涡旋结构、星系的旋转形态，小到超流体、超导体中的量子运动，甚至微观世界里的粒子轨迹，都藏着涡旋的影子，在物理学语境中，这被定义为“波的固有形态特征”。

早在1989年，法国科学家皮埃尔・库莱就提出了“光学涡旋”的概念，他推测光也能像水流那样形成涡旋，进而变成一束螺旋状的光束。

但真正让光学涡旋从理论走向实证的，是1992年荷兰莱顿大学的艾伦团队：他们成功观测到一种特殊的涡旋光束，其携带的每一个光子都具有“轨道角动量”，就像地球绕太阳公转时携带的角动量那般。

更精妙的是，这种光束的螺旋相位可通过数学公式精准描述，其中的“拓扑荷”（一种量子数）还能决定螺旋的“紧密程度”，拓扑荷数值越大，螺旋缠绕得越密集。

光学涡旋的发现，藏着科学探索的典型逻辑：它并非科研人员凭空构想，而是从自然界的涡旋现象中汲取灵感，最终在光的世界里找到了“对应形态”。

而且早期研究就已发现，涡旋光束的轨道角动量具备“信息载体”的潜力：传统光通信依赖光的强弱、偏振状态传递信息，而涡旋光束的拓扑荷可呈现多种数值，相当于“拓展了信息传输的信道”，这一特性让它在量子通信领域拥有广阔前景。

光学旋转体

既然光学涡旋早已被发现，2025年4月哈佛大学团队在《科学进展》期刊上发表的“光学旋转体”，又有何突破之处？

简单来说，传统光学涡旋的传播形态，类似芭蕾舞者在原地旋转，无论旋转多久，其旋转节奏与方式始终不变。

而光学旋转体则更像舞者的进阶动作：一边原地旋转，一边沿着螺旋楼梯缓慢下行，它的核心特点在于，轨道角动量在传播过程中会持续变化，最终形成一条“对数螺旋”路径。

这条“对数螺旋”堪称自然界的“宠儿”：鹦鹉螺壳的剖面切开后，呈现的是标准的对数螺旋，向日葵种子的排列方式，遵循对数螺旋的分布规律，甚至飓风的云系结构、星系的旋臂形态，都是对数螺旋的具象体现。

它还与斐波那契数列存在深层关联，将斐波那契数列中相邻两个数的比值转化为矩形，再连接这些矩形的对角线，就能绘制出一条逼近对数螺旋的曲线。

哈佛团队的研究者们提到，发现光学旋转体与自然结构的相似性，是研究过程中“意想不到的亮点”。

但从自然规律的统一性来看，这种共鸣并非偶然，自然界的数学美从不孤立存在，从微观的光子到宏观的天体，都在遵循相同的底层逻辑。

更值得关注的是，哈佛团队实现光学旋转体的技术路径：他们采用“超表面技术”，核心是一片厚度仅为纳米级别的薄片，表面刻有精度极高的纳米结构，这些微小结构能精准调控光的相位、振幅与偏振状态。

在此之前，若想改变光的扭矩，往往需要依赖高强度激光与庞大的实验装置，而哈佛团队仅用一个普通的液晶显示器与低强度光束，就达成了相同效果。

这一技术突破的意义在于，它大幅降低了光学旋转体的研究门槛，更多实验室可依托现有设备跟进探索，也让这一前沿技术向实际应用转化的速度加快。

在应用层面，光学旋转体在“光镊”领域的潜力尤为突出，光镊技术的核心是利用光束的力量“夹取”微小颗粒。

这一特性让它在生物医学领域（如单细胞操作、精准给药）、纳米制造领域（如微小零件组装）拥有广阔的应用空间。

结语

说到底，光学旋转体的研究不仅让人类对光的认知多了一层维度，更揭示了科学与自然的深层“默契”，光的“花式走位”里，藏着与鹦鹉螺、向日葵相同的数学门道，最前沿的纳米技术，成了解读自然语言的“钥匙”。

或许未来某一天，当人们使用着基于光学旋转体技术的设备时，再看到咖啡杯里的小漩涡，会突然意识到，当年那个毫不起眼的日常场景里，早已藏着光与自然共生的秘密。