@ 2018.08.29 , 13:00

科学家找到了测量光压的方法

光会对与之相互作用的物体施加多大的压力?近150年来,这是一个困扰科学家的问题——现在可能有了一个解决方案。一组研究人员提出了一种测量光子压力的方法。

尽管光子没有静态质量,但它确实具有动量,可以在狭义相对论的框架内定义。因此就像水中的分子碰撞产生压力一样,光子也会撞击物体表面产生压力。

在1619年,德国数学家和天文学家约翰尼斯·开普勒在论文中提出,太阳光施加的压力正是彗尾背向太阳的原因。

科学家找到了测量光压的方法
Credit: 123RF

1873年苏格兰物理学家詹姆斯·克莱克·麦克斯韦在《电磁理论》中猜测光对物质可以产生力的作用。

大学讲师麦克斯韦——他的工作为爱因斯坦的相对论工作提供了一个重要的基础——推测光是一种带有动量从而能产生压力的电磁波。

但是光子的动量——以及辐射压力——极其微小,这意味着直接测量非常棘手。

“直到现在,我们还无法确定这种力如何转化为能量或速度,”加拿大不列颠哥伦比亚大学奥肯那根校区的工程师Kenneth Chau解释道,“由于光携带的动量非常小,我们没有精度高的测量设备。”

我们目前的技术能力仍然不够灵敏,无法直接检测光子的动量。但来自斯洛文尼亚和巴西的Chau及其同事已经找到了一种方法来检测光子动量的影响。

它们围绕镜子构建了一套装置。外面有严严实实的隔热层以保护实验免受外界干扰,内部配备了灵敏的声学传感器。

当他们向镜子发射激光脉冲时,会在其表面产生弹性波。由声学传感器检测到的振动频率,为计算光子动量施加的辐射压力打开了大门。

“我们无法直接测量光子的动量,所以我们的方法是'倾听'它引发的弹性波来测量它对镜子的影响,”Chau说。我们能够由波的特征反推出光脉冲本身的动量,就像是你把石子丢到架子鼓上,然后通过发出的声响来确定石子的质量。

这不仅仅是理论科学,还可能具有重要的应用价值。

例如,能够准确计算辐射压力可以为更好的太阳帆技术——一种无助推剂的航天器推进方法,利用帆上的辐射压力代替风——铺平道路。

它还可以改良现有的光学镊子——一种捕获和操纵极其微小的颗粒的技术,低至单个原子的规模。

“当然,现在还没有走到应用那一步。”Chau说,“但我们的发现是至关重要的一步,我很高兴看到我们的发现打开了未来发展的前景。”

该研究发表在Nature Communications上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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