科學家找到了測量光壓的方法

光會對與之相互作用的物體施加多大的壓力？近150年來，這是一個困擾科學家的問題——現在可能有了一個解決方案。一組研究人員提出了一種測量光子壓力的方法。

儘管光子沒有靜態質量，但它確實具有動量，可以在狹義相對論的框架內定義。因此就像水中的分子碰撞產生壓力一樣，光子也會撞擊物體表面產生壓力。

在1619年，德國數學家和天文學家約翰尼斯·開普勒在論文中提出，太陽光施加的壓力正是彗尾背向太陽的原因。

Credit: 123RF

1873年蘇格蘭物理學家詹姆斯·克萊克·麥克斯韋在《電磁理論》中猜測光對物質可以產生力的作用。

大學講師麥克斯韋——他的工作為愛因斯坦的相對論工作提供了一個重要的基礎——推測光是一種帶有動量從而能產生壓力的電磁波。

但是光子的動量——以及輻射壓力——極其微小，這意味著直接測量非常棘手。

「直到現在，我們還無法確定這種力如何轉化為能量或速度，」加拿大不列顛哥倫比亞大學奧肯那根校區的工程師Kenneth Chau解釋道，「由於光攜帶的動量非常小，我們沒有精度高的測量設備。」

我們目前的技術能力仍然不夠靈敏，無法直接檢測光子的動量。但來自斯洛維尼亞和巴西的Chau及其同事已經找到了一種方法來檢測光子動量的影響。

它們圍繞鏡子構建了一套裝置。外面有嚴嚴實實的隔熱層以保護實驗免受外界干擾，內部配備了靈敏的聲學感測器。

當他們向鏡子發射激光脈衝時，會在其表面產生彈性波。由聲學感測器檢測到的振動頻率，為計算光子動量施加的輻射壓力打開了大門。

「我們無法直接測量光子的動量，所以我們的方法是"傾聽"它引發的彈性波來測量它對鏡子的影響，」Chau說。我們能夠由波的特徵反推出光脈衝本身的動量，就像是你把石子丟到架子鼓上，然後通過發出的聲響來確定石子的質量。

這不僅僅是理論科學，還可能具有重要的應用價值。

例如，能夠準確計算輻射壓力可以為更好的太陽帆技術——一種無助推劑的航天器推進方法，利用帆上的輻射壓力代替風——鋪平道路。

它還可以改良現有的光學鑷子——一種捕獲和操縱極其微小的顆粒的技術，低至單個原子的規模。

「當然，現在還沒有走到應用那一步。」Chau說，「但我們的發現是至關重要的一步，我很高興看到我們的發現打開了未來發展的前景。」

該研究發表在Nature Communications上。

本文譯自 sciencealert，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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