天文突破！物理學家第一次知道如何測量光的動量力

光對與它相互作用的物質施加多大的壓力?這是一個困擾科學家近150年的問題，現在可能有了解決方案。一組研究人員提出了一種測量光子對物質影響的方法。

儘管光子沒有質量，但它有動量，這可以在狹義相對論的框架內定義。

這個動量產生一個力。早在1619年，光施加的壓力就被假設了。德國數學家、天文學家約翰尼斯·開普勒在他的《科梅蒂論》中指出，來自太陽的壓力導致彗星的尾巴總是遠離太陽。

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直到1873年，蘇格蘭物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋(James Clerk Maxwell)才在一篇關於電和磁的論文中假設，這與動量有關。

克拉克·麥克斯韋(Clerk Maxwell)的工作為愛因斯坦的相對論工作提供了一個關鍵的基礎。

但是光子的動量——以及因此而產生的輻射壓力——是微乎其微的，這就意味著直接測量它是非常棘手的。

加拿大英屬哥倫比亞大學奧肯那根分校的工程師Kenneth Chau說:「到目前為止，我們還無法確定這種勢頭是如何轉化為動力或運動的。」

「因為光攜帶的動量非常小，我們還沒有足夠靈敏的設備來解決這個問題。」

我們目前的技術能力還不夠靈敏，不能直接探測光子的動量。但是周兆祥和他來自斯洛維尼亞和巴西的同事們已經找到了一種測量光子動量效應的方法。

他們在鏡子周圍造了一個裝置。熱屏蔽環繞著它，以保護實驗不受外界干擾，同時還配備了靈敏的聲學感測器。

當他們向鏡子發射激光脈衝時，反射波就會在鏡子表面移動。這些被聲學感測器探測到的粒子，打開了計算光子動量施加的輻射壓力的大門。

「我們不能直接測量光子動量，所以我們的方法是通過『聽』穿過鏡子的彈性波來檢測它對鏡子的影響，」周兆祥說。

「我們能夠追溯這些波的特徵，追溯到存在於光脈衝本身的動量，這為最終定義和建模材料內部的光動量打開了一扇門。」

這不僅僅是一門純粹的科學——它可能會有重要的實際應用。

例如，能夠準確地計算輻射壓力可以為更好的太陽帆技術鋪平道路——這是一種航天器的無推進劑推進方法，利用帆上的輻射壓力來代替風。

它還能提供更好的光鑷，一種捕獲和操縱小得難以置信的粒子的方法——小到一個原子的大小。

周兆祥說:「我們還沒有達到目標，但是這項工作的發現是重要的一步，我很高興看到我們下一步要做什麼。」

這項研究發表在《自然通訊》雜誌上。

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